The Hückel Hamiltonian is an incredibly simple tight-binding model known for its ability to capture qualitative physics phenomena arising from electron interactions in molecules and materials. Part of its simplicity arises from using only two types of empirically fit physics-motivated parameters: the first describes the orbital energies on each atom and the second describes electronic interactions and bonding between atoms. By replacing these empirical parameters with machine-learned dynamic values, we vastly increase the accuracy of the extended Hückel model. The dynamic values are generated with a deep neural network, which is trained to reproduce orbital energies and densities derived from density functional theory. The resulting model retains interpretability, while the deep neural network parameterization is smooth and accurate and reproduces insightful features of the original empirical parameterization. Overall, this work shows the promise of utilizing machine learning to formulate simple, accurate, and dynamically parameterized physics models.

1.
T.
Zubatiuk
and
O.
Isayev
,
Acc. Chem. Res.
54
,
1575
(
2021
).
2.
T. W.
Ko
,
J. A.
Finkler
,
S.
Goedecker
, and
J.
Behler
,
Acc. Chem. Res.
54
,
808
(
2021
).
3.
P. O.
Dral
,
J. Phys. Chem. Lett.
11
,
2336
(
2020
).
4.
M.
Abadi
,
A.
Agarwal
,
P.
Barham
,
E.
Brevdo
,
Z.
Chen
,
C.
Citro
,
G. S.
Corrado
,
A.
Davis
,
J.
Dean
,
M.
Devin
,
S.
Ghemawat
,
I.
Goodfellow
,
A.
Harp
,
G.
Irving
,
M.
Isard
,
Y.
Jia
,
R.
Jozefowicz
,
L.
Kaiser
,
M.
Kudlur
,
J.
Levenberg
,
D.
Mane
,
R.
Monga
,
S.
Moore
,
D.
Murray
,
C.
Olah
,
M.
Schuster
,
J.
Shlens
,
B.
Steiner
,
I.
Sutskever
,
K.
Talwar
,
P.
Tucker
,
V.
Vanhoucke
,
V.
Vasudevan
,
F.
Viegas
,
O.
Vinyals
,
P.
Warden
,
M.
Wattenberg
,
M.
Wicke
,
Y.
Yu
, and
X.
Zheng
, arXiv:1603.04467 (
2016
).
5.
A.
Paszke
,
S.
Gross
,
S.
Chintala
,
G.
Chanan
,
E.
Yang
,
Z.
DeVito
,
Z.
Lin
,
A.
Desmaison
,
L.
Antiga
, and
A.
Lerer
, NIPS work,
2017
.
6.
J. S.
Smith
,
B. T.
Nebgen
,
R.
Zubatyuk
,
N.
Lubbers
,
C.
Devereux
,
K.
Barros
,
S.
Tretiak
,
O.
Isayev
, and
A. E.
Roitberg
,
Nat. Commun.
10
,
2903
(
2019
).
7.
J. S.
Smith
,
O.
Isayev
, and
A. E.
Roitberg
,
Chem. Sci.
8
,
3192
(
2017
).
8.
J.
Klicpera
,
J.
Groß
, and
S.
Günnemann
, arXiv:12003.03123 (
2020
).
9.
S.
Lorenz
,
A.
Groß
, and
M.
Scheffler
,
Chem. Phys. Lett.
395
,
210
(
2004
).
10.
J.
Behler
and
M.
Parrinello
,
Phys. Rev. Lett.
98
,
146401
(
2007
).
11.
A. P.
Bartók
,
M. C.
Payne
,
R.
Kondor
, and
G.
Csányi
,
Phys. Rev. Lett.
104
,
136403
(
2010
).
12.
M.
Rupp
,
A.
Tkatchenko
,
K.-R.
Müller
, and
O. A.
von Lilienfeld
,
Phys. Rev. Lett.
108
,
058301
(
2012
).
13.
N.
Lubbers
,
J. S.
Smith
, and
K.
Barros
,
J. Chem. Phys.
148
,
241715
(
2018
).
14.
O. T.
Unke
,
S.
Chmiela
,
H. E.
Sauceda
,
M.
Gastegger
,
I.
Poltavsky
,
K. T.
Schütt
,
A.
Tkatchenko
, and
K.-R.
Müller
, “
Machine learning force field
,”
Chem. Rev.
(published online,
2021
).
15.
S.
Manzhos
,
Mach. Learn.: Sci. Technol.
1
,
013002
(
2020
).
16.
17.
18.
19.
J.
Behler
,
Int. J. Quantum Chem.
115
,
1032
(
2015
).
20.
K. T.
Schütt
,
M.
Gastegger
,
A.
Tkatchenko
,
K.-R.
Müller
, and
R. J.
Maurer
,
Nat. Commun.
10
,
5024
(
2019
).
21.
G.
Carleo
and
M.
Troyer
,
Science
355
,
602
(
2017
).
22.
M.
Sugawara
,
Comput. Phys. Commun.
140
,
366
(
2001
).
23.
P. O.
Dral
,
O. A.
von Lilienfeld
, and
W.
Thiel
,
J. Chem. Theory Comput.
11
,
2120
(
2015
).
24.
H.
Li
,
C.
Collins
,
M.
Tanha
,
G. J.
Gordon
, and
D. J.
Yaron
,
J. Chem. Theory Comput.
14
,
5764
(
2018
).
25.
R.
Hoffmann
,
J. Chem. Phys.
39
,
1397
(
1963
).
26.
R.
Hoffmann
,
Rev. Mod. Phys.
60
,
601
(
1988
).
27.
M.
Wolfsberg
and
L.
Helmholz
,
J. Chem. Phys.
20
,
837
(
1952
).
29.
J.
Hinze
and
H. H.
Jaffe
,
J. Am. Chem. Soc.
84
,
540
(
1962
).
30.
J. A.
Pople
and
G. A.
Segal
,
J. Chem. Phys.
43
,
S136
(
1965
).
31.
J.
Cerdá
and
F.
Soria
,
Phys. Rev. B
61
,
7965
(
2000
).
32.
J. H.
Ammeter
,
H. B.
Buergi
,
J. C.
Thibeault
, and
R.
Hoffmann
,
J. Am. Chem. Soc.
100
,
3686
(
1978
).
33.
L.
Rincón
,
A.
Hasmy
,
C. A.
Gonzalez
, and
R.
Almeida
,
J. Chem. Phys.
129
,
044107
(
2008
).
34.
B.
Nebgen
,
N.
Lubbers
,
J. S.
Smith
,
A. E.
Sifain
,
A.
Lokhov
,
O.
Isayev
,
A. E.
Roitberg
,
K.
Barros
, and
S.
Tretiak
,
J. Chem. Theory Comput.
14
,
4687
(
2018
).
35.
A. E.
Sifain
,
N.
Lubbers
,
B. T.
Nebgen
,
J. S.
Smith
,
A. Y.
Lokhov
,
O.
Isayev
,
A. E.
Roitberg
,
K.
Barros
, and
S.
Tretiak
,
J. Phys. Chem. Lett.
9
,
4495
(
2018
).
36.
S.
Magedov
,
C.
Koh
,
W.
Malone
,
N.
Lubbers
, and
N.
Benjamin
,
J. Appl. Phys.
129
,
064701
(
2021
).
37.
J. S.
Smith
,
B.
Nebgen
,
N.
Lubbers
,
O.
Isayev
, and
A. E.
Roitberg
,
J. Chem. Phys.
148
,
241733
(
2018
).
38.
M. J.
Frisch
,
G. W.
Trucks
,
H. B.
Schlegel
,
G. E.
Scuseria
,
M. A.
Robb
,
J. R.
Cheeseman
,
G.
Scalmani
,
V.
Barone
,
B.
Mennucci
,
G. A.
Petersson
,
H.
Nakatsuji
,
M.
Caricato
,
X.
Li
,
H. P.
Hratchian
,
A. F.
Izmaylov
,
J.
Bloino
,
G.
Zheng
,
J. L.
Sonnenberg
,
M.
Hada
,
M.
Ehara
,
K.
Toyota
,
R.
Fukuda
,
J.
Hasegawa
,
M.
Ishida
,
T.
Nakajima
,
Y.
Honda
,
O.
Kitao
,
H.
Nakai
,
T.
Vreven
,
J. A.
Montgomery
, Jr.
,
J. E.
Peralta
,
F.
Ogliaro
,
M.
Bearpark
,
J. J.
Heyd
,
E.
Brothers
,
K. N.
Kudin
,
V. N.
Staroverov
,
R.
Kobayashi
,
J.
Normand
,
K.
Raghavachari
,
A.
Rendell
,
J. C.
Burant
,
S. S.
Iyengar
,
J.
Tomasi
,
M.
Cossi
,
N.
Rega
,
J. M.
Millam
,
M.
Klene
,
J. E.
Knox
,
J. B.
Cross
,
V.
Bakken
,
C.
Adamo
,
J.
Jaramillo
,
R.
Gomperts
,
R. E.
Stratmann
,
O.
Yazyev
,
A. J.
Austin
,
R.
Cammi
,
C.
Pomelli
,
J. W.
Ochterski
,
R. L.
Martin
,
K.
Morokuma
,
V. G.
Zakrzewski
,
G. A.
Voth
,
P.
Salvador
,
J. J.
Dannenberg
,
S.
Dapprich
,
A. D.
Daniels
,
Ö.
Farkas
,
J. B.
Foresman
,
J. V.
Ortiz
,
J.
Cioslowski
, and
D. J.
Fox
, gaussian 09, Revision E.01,
2009
.
39.
T.
Fink
and
J.-L.
Reymond
,
J. Chem. Inf. Model.
47
,
342
(
2007
).
40.
T.
Fink
,
H.
Bruggesser
, and
J.-L.
Reymond
,
Angew. Chem., Int. Ed.
44
,
1504
(
2005
).
41.
A. P.
Bento
,
A.
Gaulton
,
A.
Hersey
,
L. J.
Bellis
,
J.
Chambers
,
M.
Davies
,
F. A.
Krüger
,
Y.
Light
,
L.
Mak
,
S.
McGlinchey
,
M.
Nowotka
,
G.
Papadatos
,
R.
Santos
, and
J. P.
Overington
,
Nucleic Acids Res.
42
,
D1083
(
2014
).
42.
G.
Landrum
, www.Rdkit.Org (n.d.).
43.
H.
Sun
and
J.
Autschbach
,
J. Chem. Theory Comput.
10
,
1035
(
2014
).
44.
C.
Sutton
,
J. S.
Sears
,
V.
Coropceanu
, and
J.-L.
Brédas
,
J. Phys. Chem. Lett.
4
,
919
(
2013
).
45.
J.
Řezáč
,
K. E.
Riley
, and
P.
Hobza
,
J. Chem. Theory Comput.
7
,
3466
(
2011
).
46.
M. J. S.
Dewar
and
W.
Thiel
,
J. Am. Chem. Soc.
99
,
4899
(
1977
).
47.
P. O.
Dral
,
X.
Wu
,
L.
Spörkel
,
A.
Koslowski
,
W.
Weber
,
R.
Steiger
,
M.
Scholten
, and
W.
Thiel
,
J. Chem. Theory Comput.
12
,
1082
(
2016
).
48.
K.
Fukui
, in
Quantum Chemistry
, edited by
P. O.
Löwdin
,
O.
Goscinski
, and
J.-L.
Calais
(
Wiley
,
1978
), p.
277
, a scientific melting pot: a symposium sponsored by the Quantum Chemistry Group to mark the 500th anniversary of the University of Uppsala, held 31 August through 4 September 1977.
49.
R. B.
Woodward
and
R.
Hoffmann
,
The Conservation of Orbital Symmetry
(
Verlag Chemie and Academic Press
,
Weinheim, NY
,
1971
).
50.
Z.
Neiman
,
J. Chem. Soc., Perkin Trans. 2
2
(
12
),
1746
(
1972
).
51.
J.
Behler
,
J. Chem. Phys.
134
,
074106
(
2011
).
52.
R.
Zubatyuk
,
J. S.
Smith
,
J.
Leszczynski
, and
O.
Isayev
,
Sci. Adv.
5
,
eaav6490
(
2019
).
53.
K. T.
Schütt
,
H. E.
Sauceda
,
P.-J.
Kindermans
,
A.
Tkatchenko
, and
K.-R.
Müller
,
J. Chem. Phys.
148
,
241722
(
2018
).
54.
O. T.
Unke
and
M.
Meuwly
,
J. Chem. Theory Comput.
15
,
3678
(
2019
).
55.
T.
Morawietz
,
V.
Sharma
, and
J.
Behler
,
J. Chem. Phys.
136
,
064103
(
2012
).
56.
M. J. S.
Dewar
,
E. G.
Zoebisch
,
E. F.
Healy
, and
J. J. P.
Stewart
,
J. Am. Chem. Soc.
107
,
3902
(
1985
).
57.
J. J. P.
Stewart
,
Encyclopedia of Computational Chemistry
(
Wiley
,
1998
).
58.
T.
Husch
,
A. C.
Vaucher
, and
M.
Reiher
,
Int. J. Quantum Chem.
118
,
e25799
(
2018
).
59.
P. A. M.
Dirac
,
Proc. R. Soc. London, Ser. A
123
,
714
(
1929
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.