Recent measurements of the third harmonic scattering responses of molecules have given a new impetus for computing molecular second hyperpolarizabilities (γ) and for deducing structure–property relationships. This paper has employed a variety of wavefunction and density functional theory methods to evaluate the second hyperpolarizability of the p-nitroaniline prototypical push-pull π-conjugated molecule, addressing also numerical aspects, such as the selection of an integration grid and the impact of the order of differentiation vs the achievable accuracy by using the Romberg quadrature. The reliability of the different methods has been assessed by comparison to reference Coupled-Cluster Singles and Doubles with perturbative treatment of the Triples results. On the one hand, among wavefunction methods, the MP2 scheme offers the best accuracy/cost ratio for computing the static γ. On the other hand, using density functional theory, γ remains a challenging property to compute because all conventional, global hybrid or range-separated hybrid, exchange–correlation functionals underestimate static γ values by at least 15%. Even tuning the range-separating parameter to minimize the delocalization errors does not enable to improve the γ values. Nevertheless, the original double-hybrid B2-PLYP functional, which benefits from 27% of PT2 correlation and 53% Hartree–Fock exchange, provides accurate estimates of static γ values. Unfortunately, the best performing exchange–correlation functionals for γ are not necessarily reliable for the first hyperpolarizability, β, and vice versa. In fact, the β of p-nitroaniline (pNA) could be predicted, with a good accuracy, with several hybrid exchange–correlation functionals (including by tuning the range-separating parameter), but these systematically underestimate γ. As for γ, the MP2 wavefunction method remains the best compromise to evaluate the first hyperpolarizability of pNA at low computational cost.

2.
J. A.
Delaire
and
K.
Nakatani
,
Chem. Rev.
100
,
1817
(
2000
).
3.
L. R.
Dalton
,
P. A.
Sullivan
, and
D. H.
Bale
,
Chem. Rev.
110
,
25
(
2010
).
4.
L. R.
Dalton
,
S. J.
Benight
,
L. E.
Johnson
,
D. B.
Knorr
,
I.
Kosilkin
,
B. E.
Eichinger
,
B. H.
Robinson
,
A. K.-Y.
Jen
, and
R. M.
Overney
,
Chem. Mater.
23
,
430
(
2011
).
5.
J. A.
Squier
,
M.
Müller
,
G. J.
Brakenhoff
, and
K. R.
Wilson
,
Opt. Express
3
,
315
(
1998
).
6.
D.
Yelin
and
Y.
Silberberg
,
Opt. Express
5
,
169
(
1999
).
7.
P. J.
Campagnola
,
A. C.
Millard
,
M.
Terasaki
,
P. E.
Hoppe
,
C. J.
Malone
, and
W. A.
Mohler
,
Biophys. J.
82
,
493
(
2002
).
8.
J. E.
Reeve
,
H. L.
Anderson
, and
K.
Clays
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
12
,
13484
(
2010
).
9.
A. R.
Dok
,
T.
Legat
,
Y.
de Coene
,
M. A.
van der Veen
,
T.
Verbiest
, and
S.
Van Cleuvenbergen
,
J. Mater. Chem. C
9
,
11553
(
2021
).
10.
Z.
Rajaofara
,
P.
Leproux
,
M.
Dussauze
,
A.
Tonello
,
V.
Rodriguez
,
L.
Karam
,
H.
Kano
,
J.-R.
Duclére
, and
V.
Couderc
,
Opt. Mater. Express
11
,
3411
(
2021
).
11.
Y.
de Coene
,
S.
Jooken
,
O.
Deschaume
,
V.
Van Steenbergen
,
P.
Vanden Berghe
,
C.
Van den Haute
,
V.
Baekelandt
,
G.
Callewaert
,
S.
Van Cleuvenbergen
,
T.
Verbiest
,
C.
Bartic
, and
K.
Clays
,
Small
18
,
2200205
(
2022
).
12.
K. D.
Singer
and
A. F.
Garito
,
J. Chem. Phys.
75
,
3572
(
1981
).
13.
I.
Ledoux
and
J.
Zyss
,
Chem. Phys.
73
,
203
(
1982
).
14.
T.
Verbiest
,
K.
Clays
, and
V.
Rodriguez
,
Second-Order Nonlinear Optical Characterization Techniques
(
CRC Press
,
Boca Raton, FL
,
2009
).
15.
L.
Brzozowski
and
E. H.
Sargent
,
J. Mater. Sci.: Mater. Electron.
12
,
483
(
2001
).
16.
N.
Van Steerteghem
,
K.
Clays
,
T.
Verbiest
, and
S.
Van Cleuvenbergen
,
Anal. Chem.
89
,
2964
(
2017
).
17.
V.
Rodriguez
,
J. Phys. Chem. C
121
,
8510
(
2017
).
18.
B.
Champagne
,
M.
Spassova
,
J.-B.
Jadin
, and
B.
Kirtman
,
J. Chem. Phys.
116
,
3935
(
2002
).
19.
M.
Nakano
,
H.
Fujita
,
M.
Takahata
, and
K.
Yamaguchi
,
J. Am. Chem. Soc.
124
,
9648
(
2002
).
20.
M.
Nakano
and
B.
Champagne
,
Wiley Interdiscip. Rev.: Comput. Mol. Sci.
6
,
198
(
2016
).
21.
T.
Kobayashi
,
K.
Sasagane
,
F.
Aiga
, and
K.
Yamaguchi
,
J. Chem. Phys.
111
,
842
(
1999
).
22.
23.
P.
Norman
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
13
,
20519
(
2011
).
24.
J. P.
Coe
and
M. J.
Paterson
,
J. Chem. Phys.
141
,
124118
(
2014
).
25.
S.
Nénon
,
B.
Champagne
, and
M. I.
Spassova
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
16
,
7083
(
2014
).
26.
D. M.
Bishop
and
D. W.
De Kee
,
J. Chem. Phys.
105
,
8247
(
1996
).
27.
D. M.
Bishop
,
Int. Rev. Phys. Chem.
13
,
21
(
1994
).
28.
E.
Mishina
,
Y.
Miyakita
,
Q.-K.
Yu
,
S.
Nakabayashi
, and
H.
Sakaguchi
,
J. Chem. Phys.
117
,
4016
(
2002
).
29.
B.
Champagne
and
D. M.
Bishop
,
Adv. Chem. Phys.
126
,
41
(
2003
).
30.
D. M.
Bishop
, “
Molecular vibration and nonlinear optics,
” in
Advances in Chemical Physics
(
John Wiley & Sons, Inc.
,
2007
), pp.
1
40
.
31.
J. M.
Luis
,
M.
Duran
,
B.
Champagne
, and
B.
Kirtman
,
J. Chem. Phys.
113
,
5203
(
2000
).
32.
E. S.
Naves
,
M. A.
Castro
, and
T. L.
Fonseca
,
J. Chem. Phys.
134
,
054315
(
2011
).
33.
B.
Champagne
,
E.
Botek
,
M.
Nakano
,
T.
Nitta
, and
K.
Yamaguchi
,
J. Chem. Phys.
122
,
114315
(
2005
).
34.
P.
Beaujean
and
B.
Champagne
,
Theor. Chem. Acc.
137
,
50
(
2018
).
35.
M.
Nakano
and
K.
Yamaguchi
,
Chem. Phys. Lett.
206
,
285
(
1993
).
36.
D.
Beljonne
,
Z.
Shuai
, and
J. L.
Brédas
,
J. Chem. Phys.
98
,
8819
(
1993
).
37.
F.
Meyers
,
S. R.
Marder
,
B. M.
Pierce
, and
J. L.
Brédas
,
J. Am. Chem. Soc.
116
,
10703
(
1994
).
38.
T.
Helgaker
,
S.
Coriani
,
P.
Jørgensen
,
K.
Kristensen
,
J.
Olsen
, and
K.
Ruud
,
Chem. Rev.
112
,
543
(
2012
).
39.
S. P.
Karna
and
M.
Dupuis
,
J. Comput. Chem.
12
,
487
(
1991
).
40.
S. J. A.
van Gisbergen
,
J. G.
Snijders
, and
E. J.
Baerends
,
J. Chem. Phys.
109
,
10644
(
1998
).
41.
J. E.
Rice
and
N. C.
Handy
,
Int. J. Quantum Chem.
43
,
91
(
1992
).
42.
K.
Sasagane
,
F.
Aiga
, and
R.
Itoh
,
J. Chem. Phys.
99
,
3738
(
1993
).
43.
H. D.
Cohen
and
C. C. J.
Roothaan
,
J. Chem. Phys.
43
,
S34
(
1965
).
44.
R. G.
Parr
and
W. T.
Yang
,
Density-Functional Theory of Atoms and Molecules
(
Oxford University Press
,
New York
,
1989
).
45.
E. J.
Baerends
and
O. V.
Gritsenko
,
J. Phys. Chem. A
101
,
5383
(
1997
).
46.
B.
Champagne
,
E. A.
Perpète
,
S. J. A.
Van Gisbergen
,
E.-J.
Baerends
,
J. G.
Snijders
,
C.
Soubra-Ghaoui
,
K. A.
Robins
, and
B.
Kirtman
,
J. Chem. Phys.
109
,
10489
(
1998
).
47.
B.
Champagne
,
E. A.
Perpète
,
D.
Jacquemin
,
S. J. A.
Van Gisbergen
,
E.-J.
Baerends
,
C.
Soubra-Ghaoui
,
K. A.
Robins
, and
B.
Kirtman
,
J. Phys. Chem. A
104
,
4755
(
2000
).
48.
M.
de Wergifosse
and
B.
Champagne
,
J. Chem. Phys.
134
,
074113
(
2011
).
49.
J.
Autschbach
and
M.
Srebro
,
Acc. Chem. Res.
47
,
2592
(
2014
).
50.
L. E.
Johnson
,
L. R.
Dalton
, and
B. H.
Robinson
,
Acc. Chem. Res.
47
,
3258
(
2014
).
51.
M.
Chołuj
,
J.
Kozłowska
, and
W.
Bartkowiak
,
Int. J. Quantum Chem.
118
,
e25666
(
2018
).
52.
L.
Lescos
,
S. P.
Sitkiewicz
,
P.
Beaujean
,
M.
Blanchard-Desce
,
B.
Champagne
,
E.
Matito
, and
F.
Castet
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
22
,
16579
(
2020
).
53.
K.
Garrett
,
X.
Sosa Vazquez
,
S. B.
Egri
,
J.
Wilmer
,
L. E.
Johnson
,
B. H.
Robinson
, and
C. M.
Isborn
,
J. Chem. Theory Comput.
10
,
3821
(
2014
).
54.
A. K.
Pal
,
T. J.
Duignan
, and
J.
Autschbach
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
20
,
7303
(
2018
).
55.
P.
Beaujean
and
B.
Champagne
,
J. Chem. Phys.
145
,
044311
(
2016
).
56.
P.
Beaujean
and
B.
Champagne
,
J. Chem. Phys.
151
,
064303
(
2019
).
57.
M.
Stähelin
,
D. M.
Burland
, and
J. E.
Rice
,
Chem. Phys. Lett.
191
,
245
(
1992
).
58.
S.
Di Bella
,
M. A.
Ratner
, and
T. J.
Marks
,
J. Am. Chem. Soc.
114
,
5842
(
1992
).
59.
H.
Ågren
,
O.
Vahtras
,
H.
Koch
,
P.
Jørgensen
, and
T.
Helgaker
,
J. Chem. Phys.
98
,
6417
(
1993
).
60.
K. V.
Mikkelsen
,
Y.
Luo
,
H.
Ågren
, and
P.
Jørgensen
,
J. Chem. Phys.
100
,
8240
(
1994
).
61.
H.
Kobayashi
and
M.
Kotani
,
Mol. Cryst. Liq. Cryst.
252
,
277
(
1994
).
62.
C.-K.
Wang
,
Y.-H.
Wang
,
Y.
Su
, and
Y.
Luo
,
J. Chem. Phys.
119
,
4409
(
2003
).
63.
O.
Quinet
,
B.
Champagne
, and
B.
Kirtman
,
J. Mol. Struct.: THEOCHEM
633
,
199
(
2003
).
64.
A. J.
Garza
,
G. E.
Scuseria
,
S. B.
Khan
, and
A. M.
Asiri
,
Chem. Phys. Lett.
575
,
122
(
2013
).
65.
H.
Sun
and
J.
Autschbach
,
ChemPhysChem
14
,
2450
(
2013
).
66.
M.
De Wergifosse
,
V.
Liégeois
, and
B.
Champagne
,
Int. J. Quantum Chem.
114
,
900
(
2014
).
67.
S. P.
Karna
,
P. N.
Prasad
, and
M.
Dupuis
,
J. Chem. Phys.
94
,
1171
(
1991
).
68.
F.
Sim
,
S.
Chin
,
M.
Dupuis
, and
J. E.
Rice
,
J. Phys. Chem.
97
,
1158
(
1993
).
69.
W.
Bartkowiak
and
J.
Lipiński
,
Comput. Chem.
22
,
31
(
1998
).
70.
B. J.
Orr
and
J. F.
Ward
,
Mol. Phys.
20
,
513
(
1971
).
71.
J. L.
Brédas
,
C.
Adant
,
P.
Tackx
,
A.
Persoons
, and
B. M.
Pierce
,
Chem. Rev.
94
,
243
(
1994
).
72.
J. O.
Morley
,
J. Phys. Chem.
99
,
10166
(
1995
).
73.
L. F.
Richardson
and
J. A.
Gaunt
,
Philos. Trans. R. Soc. London, Ser. A
226
,
299
(
1927
).
74.
M.
Medved'
,
M.
Stachová
,
D.
Jacquemin
,
J.-M.
André
, and
E. A.
Perpète
,
J. Mol. Struct.: THEOCHEM
847
,
39
(
2007
).
75.
A. A. K.
Mohammed
,
P. A.
Limacher
, and
B.
Champagne
,
J. Comput. Chem.
34
,
1497
(
2013
).
76.
T.
Helgaker
,
P.
Jørgensen
, and
J.
Olsen
,
Molecular Electronic‐Structure Theory
(
Wiley
,
2000
).
77.
D.
Jacquemin
,
E. A.
Perpète
,
G.
Scalmani
,
M. J.
Frisch
,
R.
Kobayashi
, and
C.
Adamo
,
J. Chem. Phys.
126
,
144105
(
2007
).
78.
I. W.
Bulik
,
R.
Zaleśny
,
W.
Bartkowiak
,
J. M.
Luis
,
B.
Kirtman
,
G. E.
Scuseria
,
A.
Avramopoulos
,
H.
Reis
, and
M. G.
Papadopoulos
,
J. Comput. Chem.
34
,
1775
(
2013
).
79.
S. J. A.
van Gisbergen
,
P. R. T.
Schipper
,
O. V.
Gritsenko
,
E. J.
Baerends
,
J. G.
Snijders
,
B.
Champagne
, and
B.
Kirtman
,
Phys. Rev. Lett.
83
,
694
(
1999
).
80.
T.
Leininger
,
H.
Stoll
,
H.-J.
Werner
, and
A.
Savin
,
Chem. Phys. Lett.
275
,
151
(
1997
).
81.
T.
Yanai
,
D. P.
Tew
, and
N. C.
Handy
,
Chem. Phys. Lett.
393
,
51
(
2004
).
82.
M.
Belén Oviedo
,
N. V.
Ilawe
, and
B. M.
Wong
,
J. Chem. Theory Comput.
12
,
3593
(
2016
).
83.
P.
Besalú-Sala
,
S. P.
Sitkiewicz
,
P.
Salvador
,
E.
Matito
, and
J. M.
Luis
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
22
,
11871
(
2020
).
85.
A.
Karolewski
,
L.
Kronik
, and
S.
Kümmel
,
J. Chem. Phys.
138
,
204115
(
2013
).
86.
A.
Karolewski
,
T.
Stein
,
R.
Baer
, and
S.
Kümmel
,
J. Chem. Phys.
134
,
151101
(
2011
).
87.
L.
Kronik
,
T.
Stein
,
S.
Refaely-Abramson
, and
R.
Baer
,
J. Chem. Theory Comput.
8
,
1515
(
2012
).
88.
L.
Pandey
,
C.
Doiron
,
J. S.
Sears
, and
J.-L.
Brédas
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
14
,
14243
(
2012
).
89.
R.
Zaleśny
,
M.
Medved’
,
S. P.
Sitkiewicz
,
E.
Matito
, and
J. M.
Luis
,
J. Chem. Theory Comput.
15
,
3570
(
2019
).
90.
S.
Grimme
,
J. Chem. Phys.
124
,
034108
(
2006
).
91.
F.
Neese
,
T.
Schwabe
, and
S.
Grimme
,
J. Chem. Phys.
126
,
124115
(
2007
).
92.
J. P.
Perdew
,
R. G.
Parr
,
M.
Levy
, and
J. L.
Balduz
,
Phys. Rev. Lett.
49
,
1691
(
1982
).
93.
A. J.
Cohen
,
P.
Mori-Sánchez
, and
W.
Yang
,
Chem. Rev.
112
,
289
(
2012
).
94.
E. R.
Johnson
,
A.
Otero-de-la-Roza
, and
S. G.
Dale
,
J. Chem. Phys.
139
,
184116
(
2013
).
95.
E. R.
Johnson
,
P.
Mori-Sánchez
,
A. J.
Cohen
, and
W.
Yang
,
J. Chem. Phys.
129
,
204112
(
2008
).
96.
T. J.
Duignan
,
J.
Autschbach
,
E.
Batista
, and
P.
Yang
,
J. Chem. Theory Comput.
13
,
3614
(
2017
).
97.
J.
Linderberg
and
Y.
Öhrn
,
Propagators in Quantum Chemistry
,
2nd ed.
(
Wiley-Interscience
,
NJ
,
2004
).
98.
J.
Olsen
and
P.
Jørgensen
,
J. Chem. Phys.
82
,
3235
(
1985
).
99.
100.
C.
Hättig
and
P.
Jørgensen
,
Adv. Quantum Chem.
35
,
111
(
1999
).
101.
D. M.
Bishop
,
J. Chem. Phys.
90
,
3192
(
1989
).
102.
D. M.
Bishop
and
D. W.
De Kee
,
J. Chem. Phys.
104
,
9876
(
1996
).
103.
M. J.
Frisch
,
G. W.
Trucks
,
H. B.
Schlegel
,
G. E.
Scuseria
,
M. A.
Robb
,
J. R.
Cheeseman
,
G.
Scalmani
,
V.
Barone
,
G. A.
Petersson
,
H.
Nakatsuji
,
X.
Li
,
M.
Caricato
,
A. V.
Marenich
,
J.
Bloino
,
B. G.
Janesko
,
R.
Gomperts
,
B.
Mennucci
,
H. P.
Hratchian
,
J. V.
Ortiz
,
A. F.
Izmaylov
,
J. L.
Sonnenberg
,
D.
Williams-Young
,
F.
Ding
,
F.
Lipparini
,
F.
Egidi
,
J.
Goings
,
B.
Peng
,
A.
Petrone
,
T.
Henderson
,
D.
Ranasinghe
,
V. G.
Zakrzewski
,
J.
Gao
,
N.
Rega
,
G.
Zheng
,
W.
Liang
,
M.
Hada
,
M.
Ehara
,
K.
Toyota
,
R.
Fukuda
,
J.
Hasegawa
,
M.
Ishida
,
T.
Nakajima
,
Y.
Honda
,
O.
Kitao
,
H.
Nakai
,
T.
Vreven
,
K.
Throssell
,
J. A.
Montgomery
, Jr.
,
J. E.
Peralta
,
F.
Ogliaro
,
M. J.
Bearpark
,
J. J.
Heyd
,
E. N.
Brothers
,
K. N.
Kudin
,
V. N.
Staroverov
,
T. A.
Keith
,
R.
Kobayashi
,
J.
Normand
,
K.
Raghavachari
,
A. P.
Rendell
,
J. C.
Burant
,
S. S.
Iyengar
,
J.
Tomasi
,
M.
Cossi
,
J. M.
Millam
,
M.
Klene
,
C.
Adamo
,
R.
Cammi
,
J. W.
Ochterski
,
R. L.
Martin
,
K.
Morokuma
,
O.
Farkas
,
J. B.
Foresman
, and
D. J.
Fox
,
Gaussian 16, Revision A.03
,
Gaussian
,
2016
.
104.
K.
Aidas
,
C.
Angeli
,
K. L.
Bak
,
V.
Bakken
,
R.
Bast
,
L.
Boman
,
O.
Christiansen
,
R.
Cimiraglia
,
S.
Coriani
,
P.
Dahle
,
E. K.
Dalskov
,
U.
Ekström
,
T.
Enevoldsen
,
J. J.
Eriksen
,
P.
Ettenhuber
,
B.
Fernández
,
L.
Ferrighi
,
H.
Fliegl
,
L.
Frediani
,
K.
Hald
,
A.
Halkier
,
C.
Hättig
,
H.
Heiberg
,
T.
Helgaker
,
A. C.
Hennum
,
H.
Hettema
,
E.
Hjertenaes
,
S.
Høst
,
I.-M.
Høyvik
,
M. F.
Iozzi
,
B.
Jansík
,
H. J. A.
Jensen
,
D.
Jonsson
,
P.
Jørgensen
,
J.
Kauczor
,
S.
Kirpekar
,
T.
Kjaergaard
,
W.
Klopper
,
S.
Knecht
,
R.
Kobayashi
,
H.
Koch
,
J.
Kongsted
,
A.
Krapp
,
K.
Kristensen
,
A.
Ligabue
,
O. B.
Lutnaes
,
J. I.
Melo
,
K. V.
Mikkelsen
,
R. H.
Myhre
,
C.
Neiss
,
C. B.
Nielsen
,
P.
Norman
,
J.
Olsen
,
J. M. H.
Olsen
,
A.
Osted
,
M. J.
Packer
,
F.
Pawlowski
,
T. B.
Pedersen
,
P. F.
Provasi
,
S.
Reine
,
Z.
Rinkevicius
,
T. A.
Ruden
,
K.
Ruud
,
V. V.
Rybkin
,
P.
Sałek
,
C. C. M.
Samson
,
A. S.
de Merás
,
T.
Saue
,
S. P. A.
Sauer
,
B.
Schimmelpfennig
,
K.
Sneskov
,
A. H.
Steindal
,
K. O.
Sylvester-Hvid
,
P. R.
Taylor
,
A. M.
Teale
,
E. I.
Tellgren
,
D. P.
Tew
,
A. J.
Thorvaldsen
,
L.
Thøgersen
,
O.
Vahtras
,
M. A.
Watson
,
D. J. D.
Wilson
,
M.
Ziolkowski
, and
H.
Ågren
,
Wiley Interdiscip. Rev.: Comput. Mol. Sci.
4
,
269
(
2014
).
105.
106.
O.
Treutler
and
R.
Ahlrichs
,
J. Chem. Phys.
102
,
346
(
1995
).
107.
A. M.
Köster
,
R.
Flores-Moreno
, and
J.
Ulises Reveles
,
J. Chem. Phys.
121
,
681
(
2004
).
108.
J.
Grafensteir
and
D.
Cremer
,
J. Chem. Phys.
127
,
164113
(
2007
).
109.
R.
Ditchfield
,
W. J.
Hehre
, and
J. A.
Pople
,
J. Chem. Phys.
54
,
724
(
1971
).
110.
T. H.
Dunning
,
J. Chem. Phys.
90
,
1007
(
1989
).
111.
G. J. B.
Hurst
,
M.
Dupuis
, and
E.
Clementi
,
J. Chem. Phys.
89
,
385
(
1988
).
112.
P.
Beaujean
(2023). “
NACHOS code for numerical differentiation
,” GitHub, 0.3.9 code available at https://github.com/pierre-24/nachos
113.
O.
Christiansen
,
C.
Hättig
, and
J.
Gauss
,
J. Chem. Phys.
109
,
4745
(
1998
).
114.
H.
Larsen
,
J.
Olsen
,
C.
Hättig
,
P.
Jørgensen
,
O.
Christiansen
, and
J.
Gauss
,
J. Chem. Phys.
111
,
1917
(
1999
).
115.
D. P.
O’Neill
,
M.
Kállay
, and
J.
Gauss
,
J. Chem. Phys.
127
,
134109
(
2007
).
116.
J. S.
Ford
and
D. L.
Andrews
,
J. Phys. Chem. A
122
,
563
(
2018
).
117.
A. J.
Cohen
,
P.
Mori-Sánchez
, and
W.
Yang
,
J. Chem. Phys.
126
,
191109
(
2007
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.