We present implementation of second- and third-order algebraic diagrammatic construction (ADC) theory for efficient and accurate computations of molecular electron affinities (EA), ionization potentials (IP), and densities of states [EA-/IP-ADC(n), n = 2, 3]. Our work utilizes the non-Dyson formulation of ADC for the single-particle propagator and reports working equations and benchmark results for the EA-ADC(2) and EA-ADC(3) approximations. We describe two algorithms for solving EA-/IP-ADC equations: (i) conventional algorithm that uses iterative diagonalization techniques to compute low-energy EA, IP, and density of states and (ii) Green’s function algorithm (GF-ADC) that solves a system of linear equations to compute density of states directly for a specified spectral region. To assess the accuracy of EA-ADC(2) and EA-ADC(3), we benchmark their performance for a set of atoms, small molecules, and five DNA/RNA nucleobases. As our next step, we demonstrate the efficiency of our GF-ADC implementation by computing core-level K-, L-, and M-shell ionization energies of a zinc atom without introducing the core-valence separation approximation. Finally, we use EA- and IP-ADC methods to compute the bandgaps of equally spaced hydrogen chains Hn with n up to 150, providing their estimates near thermodynamic limit. Our results demonstrate that EA-/IP-ADC(n) (n = 2, 3) methods are efficient and accurate alternatives to widely used electronic structure methods for simulations of electron attachment and ionization properties.

1.
L. S.
Cederbaum
,
J. Phys. B: At. Mol. Phys.
8
,
290
(
1975
).
2.
W.
Von Niessen
,
J.
Schirmer
, and
L. S.
Cederbaum
,
Comput. Phys. Rep.
1
,
57
(
1984
).
3.
J. V.
Ortiz
,
Wiley Interdiscip. Rev.: Comput. Mol. Sci.
3
,
123
(
2012
).
4.
S.
Hirata
,
M. R.
Hermes
,
J.
Simons
, and
J. V.
Ortiz
,
J. Chem. Theory Comput.
11
,
1595
(
2015
).
5.
S.
Hirata
,
A. E.
Doran
,
P. J.
Knowles
, and
J. V.
Ortiz
,
J. Chem. Phys.
147
,
044108
(
2017
).
7.
S. V.
Faleev
,
M.
van Schilfgaarde
, and
T.
Kotani
,
Phys. Rev. Lett.
93
,
126406
(
2004
).
8.
M.
van Schilfgaarde
,
T.
Kotani
, and
S.
Faleev
,
Phys. Rev. Lett.
96
,
226402
(
2006
).
9.
J. B.
Neaton
,
M. S.
Hybertsen
, and
S. G.
Louie
,
Phys. Rev. Lett.
97
,
216405
(
2006
).
10.
G.
Samsonidze
,
M.
Jain
,
J.
Deslippe
,
M. L.
Cohen
, and
S. G.
Louie
,
Phys. Rev. Lett.
107
,
186404
(
2011
).
11.
M. J.
van Setten
,
F.
Weigend
, and
F.
Evers
,
J. Chem. Theory Comput.
9
,
232
(
2013
).
12.
L.
Reining
,
Wiley Interdiscip. Rev.: Comput. Mol. Sci.
8
,
e1344
(
2017
).
13.
T. D.
Crawford
and
H. F.
Schaefer
,
Rev. Comput. Chem.
14
,
33
(
2000
).
14.
I.
Shavitt
and
R. J.
Bartlett
,
Many-Body Methods in Chemistry and Physics
(
Cambridge University Press
,
Cambridge, UK
,
2009
).
15.
M.
Nooijen
and
J. G.
Snijders
,
Int. J. Quantum Chem.
44
,
55
(
1992
).
16.
M.
Nooijen
and
J. G.
Snijders
,
Int. J. Quantum Chem.
48
,
15
(
1993
).
17.
M.
Nooijen
and
J. G.
Snijders
,
J. Chem. Phys.
102
,
1681
(
1995
).
18.
K.
Kowalski
,
K.
Bhaskaran-Nair
, and
W. A.
Shelton
,
J. Chem. Phys.
141
,
094102
(
2014
).
19.
K.
Bhaskaran-Nair
,
K.
Kowalski
, and
W. A.
Shelton
,
J. Chem. Phys.
144
,
144101
(
2016
).
20.
J. D.
McClain
,
J.
Lischner
,
T. J.
Watson
, Jr.
,
D. A.
Matthews
,
E.
Ronca
,
S. G.
Louie
,
T. C.
Berkelbach
, and
G. K.-L.
Chan
,
Phys. Rev. B
93
,
235139
(
2016
).
21.
J. D.
McClain
,
Q.
Sun
,
G. K.-L.
Chan
, and
T. C.
Berkelbach
,
J. Chem. Theory Comput.
13
,
1209
(
2017
).
22.
M. F.
Lange
and
T. C.
Berkelbach
,
J. Chem. Theory Comput.
14
,
4224
(
2018
).
23.
B.
Peng
and
K.
Kowalski
,
J. Chem. Theory Comput.
14
,
4335
(
2018
).
24.
J.
Schirmer
,
Phys. Rev. A
26
,
2395
(
1982
).
25.
J.
Schirmer
,
L. S.
Cederbaum
, and
O.
Walter
,
Phys. Rev. A
28
,
1237
(
1983
).
27.
F.
Mertins
and
J.
Schirmer
,
Phys. Rev. A
53
,
2140
(
1996
).
28.
J.
Schirmer
and
A. B.
Trofimov
,
J. Chem. Phys.
120
,
11449
(
2004
).
29.
A.
Dreuw
and
M.
Wormit
,
Wiley Interdiscip. Rev.: Comput. Mol. Sci.
5
,
82
(
2014
).
30.
D.
Mukherjee
and
W.
Kutzelnigg
, in
Many-Body Methods in Quantum Chemistry
(
Springer Berlin Heidelberg
,
Berlin, Heidelberg
,
1989
), pp.
257
274
.
31.
D.
Kats
,
D.
Usvyat
, and
M.
Schütz
,
Phys. Rev. A
83
,
062503
(
2011
).
32.
G.
Wälz
,
D.
Kats
,
D.
Usvyat
,
T.
Korona
, and
M.
Schütz
,
Phys. Rev. A
86
,
052519
(
2012
).
33.
J.
Liu
,
A.
Asthana
,
L.
Cheng
, and
D.
Mukherjee
,
J. Chem. Phys.
148
,
244110
(
2018
).
34.
J. H.
Starcke
,
M.
Wormit
, and
A.
Dreuw
,
J. Chem. Phys.
130
,
024104
(
2009
).
35.
P. H. P.
Harbach
,
M.
Wormit
, and
A.
Dreuw
,
J. Chem. Phys.
141
,
064113
(
2014
).
36.
J.
Schirmer
,
A. B.
Trofimov
, and
G.
Stelter
,
J. Chem. Phys.
109
,
4734
(
1998
).
37.
A. B.
Trofimov
and
J.
Schirmer
,
J. Chem. Phys.
123
,
144115
(
2005
).
38.
G.
Angonoa
,
O.
Walter
, and
J.
Schirmer
,
J. Chem. Phys.
87
,
6789
(
1987
).
39.
J.
Schirmer
and
A.
Thiel
,
J. Chem. Phys.
115
,
10621
(
2001
).
40.
A.
Thiel
,
J.
Schirmer
, and
H.
Köppel
,
J. Chem. Phys.
119
,
2088
(
2003
).
41.
A. L.
Dempwolff
,
M.
Schneider
,
M.
Hodecker
, and
A.
Dreuw
,
J. Chem. Phys.
150
,
064108
(
2019
).
42.
A.
Barth
and
J.
Schirmer
,
J. Phys. B: At. Mol. Phys.
18
,
867
(
1985
).
43.
J.
Wenzel
,
M.
Wormit
, and
A.
Dreuw
,
J. Comput. Chem.
35
,
1900
(
2014
).
44.
S.
Knippenberg
,
D. R.
Rehn
,
M.
Wormit
,
J. H.
Starcke
,
I. L.
Rusakova
,
A. B.
Trofimov
, and
A.
Dreuw
,
J. Chem. Phys.
136
,
064107
(
2012
).
45.
K.
Chatterjee
and
A. Y.
Sokolov
,
J. Chem. Theory Comput.
15
,
5908
(
2019
).
46.
A. B.
Trofimov
and
J.
Schirmer
, in
Proceedings of 14th European Symposium on Gas Phase Electron Diffraction
(
Moscow State University
,
2011
), p.
77
.
47.
M.
Schneider
, Weiterentwicklung und Implementierung quantenchemischer Methoden zur direkten Berechnung von Ionisationspotentialen und Elektroaffinitäten, zs.fassung in engl. und dt. Sprache, Heidelberg,
2015
.
48.
A. L.
Fetter
and
J. D.
Walecka
,
Quantum Theory of Many-Particle Systems
(
Dover Publications
,
2003
).
49.
W. H.
Dickhoff
and
D.
Van Neck
,
Many-Body Theory Exposed!: Propagator Description of Quantum Mechanics in Many-Body Systems
(
World Scientific Publishing Co.
,
2005
).
50.
A. Y.
Sokolov
,
J. Chem. Phys.
149
,
204113
(
2018
).
51.
Q.
Sun
,
T. C.
Berkelbach
,
N. S.
Blunt
,
G. H.
Booth
,
S.
Guo
,
Z.
Li
,
J.
Liu
,
J. D.
McClain
,
E. R.
Sayfutyarova
,
S.
Sharma
,
S.
Wouters
, and
G. K.-L.
Chan
,
Wiley Interdiscip. Rev.: Comput. Mol. Sci.
8
,
e1340
(
2018
).
52.
Y.
Shao
,
Z.
Gan
,
E.
Epifanovsky
,
A. T. B.
Gilbert
,
M.
Wormit
,
J.
Kussmann
,
A. W.
Lange
,
A.
Behn
,
J.
Deng
,
X.
Feng
,
D.
Ghosh
,
M.
Goldey
,
P. R.
Horn
,
L. D.
Jacobson
,
I.
Kaliman
,
R. Z.
Khaliullin
,
T.
Kuś
,
A.
Landau
,
J.
Liu
,
E. I.
Proynov
,
Y. M.
Rhee
,
R. M.
Richard
,
M. A.
Rohrdanz
,
R. P.
Steele
,
E. J.
Sundstrom
,
H. L.
Woodcock
 III
,
P. M.
Zimmerman
,
D.
Zuev
,
B.
Albrecht
,
E.
Alguire
,
B.
Austin
,
G. J. O.
Beran
,
Y. A.
Bernard
,
E.
Berquist
,
K.
Brandhorst
,
K. B.
Bravaya
,
S. T.
Brown
,
D.
Casanova
,
C.-M.
Chang
,
Y.
Chen
,
S. H.
Chien
,
K. D.
Closser
,
D. L.
Crittenden
,
M.
Diedenhofen
,
R. A.
Distasio
, Jr.
,
H.
Do
,
A. D.
Dutoi
,
R. G.
Edgar
,
S.
Fatehi
,
L.
Fusti-Molnar
,
A.
Ghysels
,
A.
Golubeva-Zadorozhnaya
,
J.
Gomes
,
M. W. D.
Hanson-Heine
,
P. H. P.
Harbach
,
A. W.
Hauser
,
E. G.
Hohenstein
,
Z. C.
Holden
,
T.-C.
Jagau
,
H.
Ji
,
B.
Kaduk
,
K.
Khistyaev
,
J.
Kim
,
J.
Kim
,
R. A.
King
,
P.
Klunzinger
,
D.
Kosenkov
,
T.
Kowalczyk
,
C. M.
Krauter
,
K. U.
Lao
,
A. D.
Laurent
,
K. V.
Lawler
,
S. V.
Levchenko
,
C. Y.
Lin
,
F.
Liu
,
E.
Livshits
,
R. C.
Lochan
,
A.
Luenser
,
P.
Manohar
,
S. F.
Manzer
,
S.-P.
Mao
,
N.
Mardirossian
,
A. V.
Marenich
,
S. A.
Maurer
,
N. J.
Mayhall
,
E.
Neuscamman
,
C. M.
Oana
,
R.
Olivares-Amaya
,
D. P.
O’Neill
,
J. A.
Parkhill
,
T. M.
Perrine
,
R.
Peverati
,
A.
Prociuk
,
D. R.
Rehn
,
E.
Rosta
,
N. J.
Russ
,
S. M.
Sharada
,
S.
Sharma
,
D. W.
Small
,
A.
Sodt
,
T.
Stein
,
D.
Stück
,
Y.-C.
Su
,
A. J. W.
Thom
,
T.
Tsuchimochi
,
V.
Vanovschi
,
L.
Vogt
,
O.
Vydrov
,
T.
Wang
,
M. A.
Watson
,
J.
Wenzel
,
A.
White
,
C. F.
Williams
,
J.
Yang
,
S.
Yeganeh
,
S. R.
Yost
,
Z.-Q.
You
,
I. Y.
Zhang
,
X.
Zhang
,
Y.
Zhao
,
B. R.
Brooks
,
G. K.-L.
Chan
,
D. M.
Chipman
,
C. J.
Cramer
,
W. A.
Goddard
 III
,
M. S.
Gordon
,
W. J.
Hehre
,
A.
Klamt
,
H. F.
Schaefer
,
M. W.
Schmidt
,
C. D.
Sherrill
,
D. G.
Truhlar
,
A.
Warshel
,
X.
Xu
,
A.
Aspuru-Guzik
,
R.
Baer
,
A. T.
Bell
,
N. A.
Besley
,
J.-D.
Chai
,
A.
Dreuw
,
B. D.
Dunietz
,
T. R.
Furlani
,
S. R.
Gwaltney
,
C.-P.
Hsu
,
Y.
Jung
,
J.
Kong
,
D. S.
Lambrecht
,
W.
Liang
,
C.
Ochsenfeld
,
V. A.
Rassolov
,
L. V.
Slipchenko
,
J. E.
Subotnik
,
T.
Van Voorhis
,
J. M.
Herbert
,
A. I.
Krylov
,
P. M. W.
Gill
, and
M.
Head-Gordon
,
Mol. Phys.
113
,
184
(
2015
).
53.
E. R.
Davidson
,
J. Comput. Phys.
17
,
87
(
1975
).
54.
B.
Liu
, “
The simultaneous expansion method for the iterative solution of several of the lowest-lying eigenvalues and corresponding eigenvectors of large real-symmetric matrices
,” Technical Report No. LBL-8158,
Berkeley, CA, USA
,
1978
.
55.
J. R.
Shewchuk
, “
An introduction to the conjugate gradient method without the agonizing pain
,” Technical Report,
Pittsburgh, PA
,
1994
.
56.
R. A.
Kendall
,
T. H.
Dunning
, Jr.
, and
R. J.
Harrison
,
J. Chem. Phys.
96
,
6796
(
1992
).
57.
N. B.
Balabanov
and
K. A.
Peterson
,
J. Chem. Phys.
123
,
064107
(
2005
).
60.
D.
Peng
and
M.
Reiher
,
Theor. Chem. Acc.
131
,
1081
(
2012
).
61.
W. J.
Hehre
,
R. F.
Stewart
, and
J. A.
Pople
,
J. Chem. Phys.
51
,
2657
(
1969
).
62.
J. F.
Stanton
,
J.
Gauss
,
L.
Cheng
,
M. E.
Harding
,
D. A.
Matthews
, and
P. G.
Szalay
, CFOUR, Coupled-Cluster techniques for Computational Chemistry, a quantum-chemical program package, With contributions from
A. A.
Auer
,
R. J.
Bartlett
,
U.
Benedikt
,
C.
Berger
,
D. E.
Bernholdt
,
Y. J.
Bomble
,
O.
Christiansen
,
F.
Engel
,
R.
Faber
,
M.
Heckert
,
O.
Heun
,
M.
Hilgenberg
,
C.
Huber
,
T.-C.
Jagau
,
D.
Jonsson
,
J.
Jusélius
,
T.
Kirsch
,
K.
Klein
,
W. J.
Lauderdale
,
F.
Lipparini
,
T.
Metzroth
,
L. A.
Mück
,
D. P.
O’Neill
,
D. R.
Price
,
E.
Prochnow
,
C.
Puzzarini
,
K.
Ruud
,
F.
Schiffmann
,
W.
Schwalbach
,
C.
Simmons
,
S.
Stopkowicz
,
A.
Tajti
,
J.
Vázquez
,
F.
Wang
,
J. D.
Watts
and the integral packages MOLECULE (
J.
Almlöf
and
P. R.
Taylor
), PROPS (
P. R.
Taylor
), ABACUS (
T.
Helgaker
,
H. J. Aa.
Jensen
,
P.
Jørgensen
, and
J.
Olsen
), and ECP routines by
A. V.
Mitin
and
C.
van Wüllen
, for the current version, see http://www.cfour.de.
63.
R. M.
Parrish
,
L. A.
Burns
,
D. G. A.
Smith
,
A. C.
Simmonett
,
A. E.
DePrince III
,
E. G.
Hohenstein
,
U.
Bozkaya
,
A. Y.
Sokolov
,
R.
Di Remigio
,
R. M.
Richard
,
J. F.
Gonthier
,
A. M.
James
,
H. R.
McAlexander
,
A.
Kumar
,
M.
Saitow
,
X.
Wang
,
B. P.
Pritchard
,
P.
Verma
,
H. F.
Schaefer
,
K.
Patkowski
,
R. A.
King
,
E. F.
Valeev
,
F. A.
Evangelista
,
J. M.
Turney
,
T. D.
Crawford
, and
C. D.
Sherrill
,
J. Chem. Theory Comput.
13
,
3185
(
2017
).
64.
J. R.
Rumble
,
CRC Handbook of Chemistry and Physics
, 100th ed. (Internet Version) (
CRC Press, Taylor & Francis
,
Boca Raton, FL
,
2019
).
65.
S.
Steenken
,
Chem. Rev.
89
,
503
(
1989
).
66.
M.
Yan
,
D.
Becker
,
S.
Summerfield
,
P.
Renke
, and
M. D.
Sevilla
,
J. Phys. Chem.
96
,
1983
(
1992
).
67.
A.-O.
Colson
and
M. D.
Sevilla
,
J. Phys. Chem.
99
,
3867
(
1995
).
68.
R.
Wintjens
,
J.
Liévin
,
M.
Rooman
, and
E.
Buisine
,
J. Mol. Biol.
302
,
393
(
2000
).
69.
M. A.
Huels
,
I.
Hahndorf
,
E.
Illenberger
, and
L.
Sanche
,
J. Chem. Phys.
108
,
1309
(
1998
).
70.
K. D.
Jordan
and
P. D.
Burrow
,
Chem. Rev.
87
,
557
(
1987
).
71.
K.
Aflatooni
,
G.
Gallup
, and
P.
Burrow
,
J. Phys. Chem. A
102
,
6205
(
1998
).
72.
V.
Periquet
,
A.
Moreau
,
S.
Carles
,
J.-P.
Schermann
, and
C.
Desfrançois
,
J. Electron Spectrosc.
106
,
141
(
2000
).
73.
D.
Roca-Sanjuán
,
M.
Merchán
,
L.
Serrano-Andrés
, and
M.
Rubio
,
J. Chem. Phys.
129
,
095104
(
2008
).
74.
D.
Roca-Sanjuán
,
M.
Rubio
,
M.
Merchán
, and
L.
Serrano-Andrés
,
J. Chem. Phys.
125
,
084302
(
2006
).
75.
X.
Li
,
Z.
Cai
, and
M. D.
Sevilla
,
J. Phys. Chem. A
106
,
1596
(
2002
).
76.
S. S.
Wesolowski
,
M. L.
Leininger
,
P. N.
Pentchev
, and
H. F.
Schaefer
,
J. Am. Chem. Soc.
123
,
4023
(
2001
).
77.
M. D.
Sevilla
,
B.
Besler
, and
A.-O.
Colson
,
J. Phys. Chem.
99
,
1060
(
1995
).
78.
N. A.
Richardson
,
S. S.
Wesolowski
, and
H. F.
Schaefer
,
J. Am. Chem. Soc.
124
,
10163
(
2002
).
79.
E. C.
Chen
and
E. S.
Chen
,
J. Phys. Chem. B
104
,
7835
(
2000
).
80.
A. K.
Dutta
,
T.
Sengupta
,
N.
Vaval
, and
S.
Pal
,
Int. J. Quantum Chem.
115
,
753
(
2015
).
81.
P.
Dedíková
,
L.
Demovič
,
M.
Pitoňák
,
P.
Neogrády
, and
M.
Urban
,
Chem. Phys. Lett.
481
,
107
(
2009
).
82.
L. S.
Cederbaum
,
W.
Domcke
,
J.
Schirmer
, and
W.
Von Niessen
,
Phys. Scr.
21
,
481
(
1980
).
83.
L. S.
Cederbaum
,
W.
Domcke
, and
J.
Schirmer
,
Phys. Rev. A
22
,
206
(
1980
).
84.
L.
Ley
,
S.
Kowalczyk
,
F.
McFeely
,
R.
Pollak
, and
D.
Shirley
,
Phys. Rev. B
8
,
2392
(
1973
).
85.
A. V.
Sinitskiy
,
L.
Greenman
, and
D. A.
Mazziotti
,
J. Chem. Phys.
133
,
014104
(
2010
).
86.
L.
Stella
,
C.
Attaccalite
,
S.
Sorella
, and
A.
Rubio
,
Phys. Rev. B
84
,
245117
(
2011
).
87.
N.
Lin
,
C. A.
Marianetti
,
A. J.
Millis
, and
D. R.
Reichman
,
Phys. Rev. Lett.
106
,
096402
(
2011
).
88.
T.
Tsuchimochi
and
G. E.
Scuseria
,
J. Chem. Phys.
131
,
121102
(
2009
).
89.
A. A.
Rusakov
and
D.
Zgid
,
J. Chem. Phys.
144
,
054106
(
2016
).
90.
M.
Motta
,
D. M.
Ceperley
,
G. K.-L.
Chan
,
J. A.
Gomez
,
E.
Gull
,
S.
Guo
,
C. A.
Jiménez-Hoyos
,
T. N.
Lan
,
J.
Li
,
F.
Ma
,
A. J.
Millis
,
N. V.
Prokof’ev
,
U.
Ray
,
G. E.
Scuseria
,
S.
Sorella
,
E. M.
Stoudenmire
,
Q.
Sun
,
I. S.
Tupitsyn
,
S. R.
White
,
D.
Zgid
, and
S.
Zhang
,
Phys. Rev. X
7
,
031059
(
2017
).
91.
A. A.
Rusakov
,
S.
Iskakov
,
L. N.
Tran
, and
D.
Zgid
,
J. Chem. Theory Comput.
15
,
229
(
2019
).
92.
E.
Ronca
,
Z.
Li
,
C. A.
Jiménez-Hoyos
, and
G. K.-L.
Chan
,
J. Chem. Theory Comput.
13
,
5560
(
2017
).
93.
See http://osc.edu/ark:/19495/f5s1ph73 for Ohio Supercomputer Center.

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.