Computer simulation has long been an essential partner of ultrafast experiments, allowing the assignment of microscopic mechanistic detail to low-dimensional spectroscopic data. However, the ability of theory to make a priori predictions of ultrafast experimental results is relatively untested. Herein, as a part of a community challenge, we attempt to predict the signal of an upcoming ultrafast photochemical experiment using state-of-the-art theory in the context of preexisting experimental data. Specifically, we employ ab initio Ehrenfest with collapse to a block mixed quantum–classical simulations to describe the real-time evolution of the electrons and nuclei of cyclobutanone following excitation to the 3s Rydberg state. The gas-phase ultrafast electron diffraction (GUED) signal is simulated for direct comparison to an upcoming experiment at the Stanford Linear Accelerator Laboratory. Following initial ring-opening, dissociation via two distinct channels is observed: the C3 dissociation channel, producing cyclopropane and CO, and the C2 channel, producing CH2CO and C2H4. Direct calculations of the GUED signal indicate how the ring-opened intermediate, the C2 products, and the C3 products can be discriminated in the GUED signal. We also report an a priori analysis of anticipated errors in our predictions: without knowledge of the experimental result, which features of the spectrum do we feel confident we have predicted correctly, and which might we have wrong?

1.
A.
Zewail
,
J. Phys. Chem. A
104
,
5660
(
2000
).
2.
M. H. M.
Janssen
,
M.
Dantus
,
H.
Guo
, and
A. H.
Zewail
,
Chem. Phys. Lett.
214
,
281
(
1993
).
3.
B. J.
Schwartz
and
P. J.
Rossky
,
J. Phys. Chem.
98
,
4489
(
1994
).
4.
V. S.
Batista
and
D. F.
Coker
,
J. Chem. Phys.
106
,
6923
(
1997
).
5.
T.
Vreven
,
F.
Bernardi
,
M.
Garavelli
,
M.
Olivucci
,
M.
Robb
, and
H.
Schlegel
,
J. Am. Chem. Soc.
119
,
12687
(
1997
).
6.
M.
Ben-Nun
and
T. J.
Martínez
,
Chem. Phys. Lett.
298
,
57
(
1998
).
7.
J. E.
Subotnik
,
A.
Jain
,
B.
Landry
,
A.
Petit
,
W.
Ouyang
, and
N.
Bellonzi
,
Annu. Rev. Phys. Chem.
67
,
387
(
2016
).
8.
G. H.
Gossel
,
F.
Agostini
, and
N. T.
Maitra
,
J. Chem. Theory Comput.
14
,
4513
(
2018
).
9.
R.
Crespo-Otero
and
M.
Barbatti
,
Chem. Rev.
118
,
7026
(
2018
).
10.
B. F. E.
Curchod
and
T. J.
Martínez
,
Chem. Rev.
118
,
3305
(
2018
).
11.
L.
Gonzalez
and
R.
Lindh
,
Quantum Chemistry and Dynamics of Excited States: Methods and Applications
(
John Wiley & Sons Ltd.
,
Hoboken, NJ
,
2021
).
12.
F.
Agostini
and
E. K. U.
Gross
,
Eur. Phys. J. B
94
,
179
(
2021
).
13.
L. M.
Ibele
and
B. F. E.
Curchod
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
22
,
15183
(
2020
).
14.
X.
Zhang
and
J. M.
Herbert
,
J. Chem. Phys.
155
,
124111
(
2021
).
15.
J.
Janos
and
P.
Slavicek
,
J. Chem. Theory Comput.
19
,
8273
(
2023
).
16.
A. V.
Akimov
,
J. Comput. Chem.
37
,
1626
(
2016
).
17.
S.
Mai
,
P.
Marquetand
, and
L.
Gonzalez
,
Wiley Interdiscip. Rev.: Comput. Mol. Sci.
8
,
e1370
(
2018
).
18.
D. A.
Fedorov
,
S.
Seritan
,
B. S.
Fales
,
T. J.
Martinez
, and
B. G.
Levine
,
J. Chem. Theory Comput.
16
,
5485
(
2020
).
19.
W.
Malone
,
B.
Nebgen
,
A.
White
,
Y.
Zhang
,
H.
Song
,
J. A.
Bjorgaard
,
A. E.
Sifain
,
B.
Rodriguez-Hernandez
,
V. M.
Freixas
,
S.
Fernandez-Alberti
,
A. E.
Roitberg
,
T. R.
Nelson
, and
S.
Tretiak
,
J. Chem. Theory Comput.
16
,
5771
(
2020
).
20.
M.
Barbatti
,
M.
Bondanza
,
R.
Crespo-Otero
,
B.
Demoulin
,
P. O.
Dral
,
G.
Granucci
,
F.
Kossoski
,
H.
Lischka
,
B.
Mennucci
,
S.
Mukherjee
,
M.
Pederzoli
,
M.
Persico
,
M.
Pinheiro
,
J.
Pittner
,
F.
Plasser
,
E. S.
Gil
, and
L.
Stojanovic
,
J. Chem. Theory Comput.
18
,
6851
(
2022
).
21.
M.
Barbatti
,
A. J. A.
Aquino
,
J. J.
Szymczak
,
D.
Nachtigallova
,
P.
Hobza
, and
H.
Lischka
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
107
,
21453
(
2010
).
22.
M.
Richter
,
P.
Marquetand
,
J.
Gonzalez-Vazquez
,
I.
Sola
, and
L.
Gonzalez
,
J. Phys. Chem. Lett.
3
,
3090
(
2012
).
23.
T. J.
Penfold
,
R.
Spesyvtsev
,
O. M.
Kirkby
,
R. S.
Minns
,
D. S. N.
Parker
,
H. H.
Fielding
, and
G. A.
Worth
,
J. Chem. Phys.
137
,
204310
(
2012
).
24.
T.
Nelson
,
S.
Fernandez-Alberti
,
A. E.
Roitberg
, and
S.
Tretiak
,
Acc. Chem. Res.
47
,
1155
(
2014
).
25.
I.
Tavernelli
,
Acc. Chem. Res.
48
,
792
(
2015
).
26.
L.
Wang
,
R.
Long
, and
O. V.
Prezhdo
,
Annu. Rev. Phys. Chem.
66
,
549
(
2015
).
27.
H. H.
Fielding
and
G. A.
Worth
,
Chem. Soc. Rev.
47
,
309
(
2018
).
28.
M. S.
Schuurman
and
A.
Stolow
,
Annu. Rev. Phys. Chem.
69
,
427
(
2018
).
29.
W.
Popp
,
D.
Brey
,
R.
Binder
, and
I.
Burghardt
,
Annu. Rev. Phys. Chem.
72
,
591
(
2021
).
30.
F.
Talotta
,
D.
Lauvergnat
, and
F.
Agostini
,
J. Chem. Phys.
156
,
184104
(
2022
).
31.
I. D.
Dergachev
,
V. D.
Dergachev
,
M.
Rooein
,
A.
Mirzanejad
, and
S. A.
Varganov
,
Acc. Chem. Res.
56
,
856
(
2023
).
32.
H. R.
Hudock
,
B. G.
Levine
,
A. L.
Thompson
,
H.
Satzger
,
D.
Townsend
,
N.
Gador
,
S.
Ullrich
,
A.
Stolow
, and
T. J.
Martínez
,
J. Phys. Chem. A
111
,
8500
(
2007
).
33.
R.
Mitric
,
J.
Petersen
,
M.
Wohlgemuth
,
U.
Werner
,
V.
Bonacic-Koutecky
,
L.
Wöste
, and
J.
Jortner
,
J. Phys. Chem. A
115
,
3755
(
2011
).
34.
U.
De Giovannini
,
G.
Brunetto
,
A.
Castro
,
J.
Walkenhorst
, and
A.
Rubio
,
ChemPhysChem
14
,
1363
(
2013
).
35.
A. S.
Petit
and
J. E.
Subotnik
,
J. Chem. Phys.
141
,
154108
(
2014
).
36.
S. A.
Fischer
,
C. J.
Cramer
, and
N.
Govind
,
J. Chem. Theory Comput.
11
,
4294
(
2015
).
37.
T. S.
Nguyen
,
J. H.
Koh
,
S.
Lefelhocz
, and
J.
Parkhill
,
J. Phys. Chem. Lett.
7
,
1590
(
2016
).
38.
R.
Dsouza
,
X.
Cheng
,
Z.
Li
,
R. J. D.
Miller
, and
M. A.
Kochman
,
J. Phys. Chem. A
122
,
9688
(
2018
).
39.
F. P.
Bonafé
,
F. J.
Hernández
,
B.
Aradi
,
T.
Frauenheim
, and
C. G.
Sánchez
,
J. Phys. Chem. Lett.
9
,
4355
(
2018
).
40.
M. F.
Gelin
,
X.
Huang
,
W.
Xie
,
L.
Chen
,
N.
Došlić
, and
W.
Domcke
,
J. Chem. Theory Comput.
17
,
2394
(
2021
).
41.
M. A.
Kochman
,
B.
Durbeej
, and
A.
Kubas
,
J. Phys. Chem. A
125
,
8635
(
2021
).
42.
R.
Borrego-Varillas
,
A.
Nenov
,
P.
Kabaciński
,
I.
Conti
,
L.
Ganzer
,
A.
Oriana
,
V. K.
Jaiswal
,
I.
Delfino
,
O.
Weingart
,
C.
Manzoni
,
I.
Rivalta
,
M.
Garavelli
, and
G.
Cerullo
,
Nat. Commun.
12
,
7285
(
2021
).
43.
C.
Xu
,
K.
Lin
,
D.
Hu
,
F. L.
Gu
,
M. F.
Gelin
, and
Z.
Lan
,
J. Phys. Chem. Lett.
13
,
661
(
2022
).
44.
P.
Chakraborty
,
Y.
Liu
,
S.
McClung
,
T.
Weinacht
, and
S.
Matsika
,
J. Phys. Chem. A
126
,
6021
(
2022
).
45.
M. C.
Silfies
,
A.
Mehmood
,
G.
Kowzan
,
E. G.
Hohenstein
,
B. G.
Levine
, and
T. K.
Allison
,
J. Chem. Phys.
159
,
104304
(
2023
).
46.
L.
Young
,
K.
Ueda
,
M.
Gühr
,
P. H.
Bucksbaum
,
M.
Simon
,
S.
Mukamel
,
N.
Rohringer
,
K. C.
Prince
,
C.
Masciovecchio
,
M.
Meyer
et al,
J. Phys. B: At., Mol. Opt. Phys.
51
,
032003
(
2018
).
47.
M.
Nisoli
,
P.
Decleva
,
F.
Calegari
,
A.
Palacios
, and
F.
Martín
,
Chem. Rev.
117
,
10760
(
2017
).
48.
M.
Kowalewski
,
B. P.
Fingerhut
,
K. E.
Dorfman
,
K.
Bennett
, and
S.
Mukamel
,
Chem. Rev.
117
,
12165
(
2017
).
49.
S. P.
Neville
,
M.
Chergui
,
A.
Stolow
, and
M. S.
Schuurman
,
Phys. Rev. Lett.
120
,
243001
(
2018
).
50.
X.
Li
,
N.
Govind
,
C.
Isborn
,
A. E. I.
DePrince
, and
K.
Lopata
,
Chem. Rev.
120
,
9951
(
2020
).
51.
K. S.
Zinchenko
,
F.
Ardana-Lamas
,
I.
Seidu
,
S. P.
Neville
,
J.
van der Veen
,
V. U.
Lanfaloni
,
M. S.
Schuurman
, and
H. J.
Worner
,
Science
371
,
489
(
2021
).
52.
C.
Cheng
,
V.
Singh
,
S.
Matsika
, and
T.
Weinacht
,
J. Phys. Chem. A
126
,
7399
(
2022
).
53.
V. M.
Freixas
,
D.
Keefer
,
S.
Tretiak
,
S.
Fernandez-Alberti
, and
S.
Mukamel
,
Chem. Sci.
13
,
6373
(
2022
).
54.
M.
Centurion
,
T. J.
Wolf
, and
J.
Yang
,
Annu. Rev. Phys. Chem.
73
,
21
(
2022
).
55.
J.
Williamson
,
J.
Cao
,
H.
Ihee
,
H.
Frey
, and
A.
Zewail
,
Nature
386
,
159
(
1997
).
56.
H.
Ihee
,
V.
Lobastov
,
U.
Gomez
,
B.
Goodson
,
R.
Srinivasan
,
C.
Ruan
, and
A.
Zewail
,
Science
291
,
458
(
2001
).
57.
J.
Yang
,
M.
Guehr
,
T.
Vecchione
,
M. S.
Robinson
,
R.
Li
,
N.
Hartmann
,
X.
Shen
,
R.
Coffee
,
J.
Corbett
,
A.
Fry
,
K.
Gaffney
,
T.
Gorkhover
,
C.
Hast
,
K.
Jobe
,
I.
Makasyuk
,
A.
Reid
,
J.
Robinson
,
S.
Vetter
,
F.
Wang
,
S.
Weathersby
,
C.
Yoneda
,
M.
Centurion
, and
X.
Wang
,
Nat. Commun.
7
,
11232
(
2016
).
58.
J.
Yang
,
M.
Guehr
,
X.
Shen
,
R.
Li
,
T.
Vecchione
,
R.
Coffee
,
J.
Corbett
,
A.
Fry
,
N.
Hartmann
,
C.
Hast
,
K.
Hegazy
,
K.
Jobe
,
I.
Makasyuk
,
J.
Robinson
,
M. S.
Robinson
,
S.
Vetter
,
S.
Weathersby
,
C.
Yoneda
,
X.
Wang
, and
M.
Centurion
,
Phys. Rev. Lett.
117
,
153002
(
2016
).
59.
J.
Yang
,
X.
Zhu
,
T. J. A.
Wolf
,
Z.
Li
,
J. P. F.
Nunes
,
R.
Coffee
,
J. P.
Cryan
,
M.
Gühr
,
K.
Hegazy
,
T. F.
Heinz
,
K.
Jobe
,
R.
Li
,
X.
Shen
,
T.
Veccione
,
S.
Weathersby
,
K. J.
Wilkin
,
C.
Yoneda
,
Q.
Zheng
,
T. J.
Martinez
,
M.
Centurion
, and
X.
Wang
,
Science
361
,
64
(
2018
).
60.
T. J. A.
Wolf
,
D. M.
Sanchez
,
J.
Yang
,
R. M.
Parrish
,
J. P. F.
Nunes
,
M.
Centurion
,
R.
Coffee
,
J. P.
Cryan
,
M.
Gühr
,
K.
Hegazy
,
A.
Kirrander
,
R. K.
Li
,
J.
Ruddock
,
X.
Shen
,
T.
Vecchione
,
S. P.
Weathersby
,
P. M.
Weber
,
K.
Wilkin
,
H.
Yong
,
Q.
Zheng
,
X. J.
Wang
,
M. P.
Minitti
, and
T. J.
Martinez
,
Nat. Chem.
11
,
504
(
2019
).
61.
M.
Stefanou
,
K.
Saita
,
D. V.
Shalashilin
, and
A.
Kirrander
,
Chem. Phys. Lett.
683
,
300
(
2017
); Ahmed Zewail (1946-2016) Commemoration Issue of Chemical Physics Letters.
62.
R. M.
Parrish
and
T. J.
Martínez
,
J. Chem. Theory Comput.
15
,
1523
(
2019
).
63.
E. G.
Champenois
,
D. M.
Sanchez
,
J.
Yang
,
J. P. F.
Nunes
,
A.
Attar
,
M.
Centurion
,
R.
Forbes
,
M.
Gühr
,
K.
Hegazy
,
F.
Ji
,
S. K.
Saha
,
Y.
Liu
,
M.-F.
Lin
,
D.
Luo
,
B.
Moore
,
X.
Shen
,
M. R.
Ware
,
X. J.
Wang
,
T. J.
Martínez
, and
T. J. A.
Wolf
,
Science
374
,
178
(
2021
).
64.
Y.
Liu
,
D. M.
Sanchez
,
M. R.
Ware
,
E. G.
Champenois
,
J.
Yang
,
J. P. F.
Nunes
,
A.
Attar
,
M.
Centurion
,
J. P.
Cryan
,
R.
Forbes
et al,
Nat. Commun.
14
,
2795
(
2023
).
65.
S. P.
Weathersby
,
G.
Brown
,
M.
Centurion
,
T. F.
Chase
,
R.
Coffee
,
J.
Corbett
,
J. P.
Eichner
,
J. C.
Frisch
,
A. R.
Fry
,
M.
Gühr
,
N.
Hartmann
,
C.
Hast
,
R.
Hettel
,
R. K.
Jobe
,
E. N.
Jongewaard
,
J. R.
Lewandowski
,
R. K.
Li
,
A. M.
Lindenberg
,
I.
Makasyuk
,
J. E.
May
,
D.
McCormick
,
M. N.
Nguyen
,
A. H.
Reid
,
X.
Shen
,
K.
Sokolowski-Tinten
,
T.
Vecchione
,
S. L.
Vetter
,
J.
Wu
,
J.
Yang
,
H. A.
Dürr
, and
X. J.
Wang
,
Rev. Sci. Instrum.
86
,
073702
(
2015
).
66.
This work was first submitted to arXiv on January 15, (2024). https://doi.org/10.48550/arXiv.2401.08069
67.
M. P.
Esch
and
B. G.
Levine
,
J. Chem. Phys.
152
,
234105
(
2020
).
68.
M. P.
Esch
and
B.
Levine
,
J. Chem. Phys.
155
,
214101
(
2021
).
69.
A. S.
Durden
,
F.
Liang
,
J.
Suchan
,
A.
Teplukhin
, and
B. G.
Levine
(
2024
). “
TAB-DMS,
,” Zenodo. https://doi.org/10.5281/zenodo.10498050
70.
J. C.
Tully
,
J. Chem. Phys.
93
,
1061
(
1990
).
71.
E. R.
Bittner
and
P. J.
Rossky
,
J. Chem. Phys.
103
,
8130
(
1995
).
72.
B. J.
Schwartz
,
E. R.
Bittner
,
O. V.
Prezhdo
, and
P. J.
Rossky
,
J. Chem. Phys.
104
,
5942
(
1996
).
73.
M. P.
Esch
,
Y.
Shu
, and
B. G.
Levine
,
J. Phys. Chem. A
123
,
2661
(
2019
).
74.
M. P.
Esch
and
B. G.
Levine
,
J. Chem. Phys.
153
,
114104
(
2020
).
75.
W.-T.
Peng
,
B. S.
Fales
, and
B. G.
Levine
,
J. Chem. Theory Comput.
14
,
4129
(
2018
).
76.
A. S.
Durden
and
B. G.
Levine
,
J. Chem. Theory Comput.
18
,
795
(
2022
).
77.
S.
Gray
and
D.
Manolopoulos
,
J. Chem. Phys.
104
,
7099
(
1996
).
78.
S.
Seritan
,
C.
Bannwarth
,
B. S.
Fales
,
E. G.
Hohenstein
,
C. M.
Isborn
,
S. I. L.
Kokkila-Schumacher
,
X.
Li
,
F.
Liu
,
N.
Luehr
,
J. W.
Snyder
, Jr.
,
C.
Song
,
A. V.
Titov
,
I. S.
Ufimtsev
,
L.-P.
Wang
, and
T. J.
Martínez
,
Wiley Interdiscip. Rev.: Comput. Mol. Sci.
11
,
e1494
(
2021
).
79.
I. S.
Ufimtsev
and
T. J.
Martinez
,
J. Chem. Theory Comput.
4
,
222
(
2008
).
80.
I. S.
Ufimtsev
and
T. J.
Martinez
,
J. Chem. Theory Comput.
5
,
1004
(
2009
).
81.
I. S.
Ufimtsev
and
T. J.
Martinez
,
J. Chem. Theory Comput.
5
,
2619
(
2009
).
82.
B. S.
Fales
and
B. G.
Levine
,
J. Chem. Theory Comput.
11
,
4708
(
2015
).
83.
E. G.
Hohenstein
,
M. E. F.
Bouduban
,
C.
Song
,
N.
Luehr
,
I. S.
Ufimtsev
, and
T. J.
Martinez
,
J. Chem. Phys.
143
,
014111
(
2015
).
84.
L.
Liu
and
W.-H.
Fang
,
J. Chem. Phys.
144
,
144317
(
2016
).
85.
S.-H.
Xia
,
X.-Y.
Liu
,
Q.
Fang
, and
G.
Cui
,
J. Phys. Chem. A
119
,
3569
(
2015
).
86.
E. W.-G.
Diau
,
C.
Kötting
, and
A. H.
Zewail
,
ChemPhysChem
2
,
294
(
2001
).
87.
J. C.
Hemminger
and
E. K. C.
Lee
,
J. Chem. Phys.
56
,
5284
(
1972
).
88.
A.
Udvarhazi
and
M. A.
El-Sayed
,
J. Chem. Phys.
42
,
3335
(
1965
).
89.
J.
Hemminger
,
H. A.
Carless
, and
E. K.
Lee
,
J. Am. Chem. Soc.
95
,
682
(
1973
).
90.
B. G.
Levine
,
A. S.
Durden
,
M. P.
Esch
,
F.
Liang
, and
Y.
Shu
,
J. Chem. Phys.
154
,
090902
(
2021
).
91.
P.
Slavíček
and
T. J.
Martínez
,
J. Chem. Phys.
132
,
234102
(
2010
).
92.
G.
Granucci
,
M.
Persico
, and
A.
Toniolo
,
J. Chem. Phys.
114
,
10608
(
2001
).
93.
F.
Salvat
,
A.
Jablonski
, and
C. J.
Powell
,
Comput. Phys. Commun.
165
,
157
(
2005
).
94.
H.
Denschlag
and
E. K.
Lee
,
J. Am. Chem. Soc.
90
,
3628
(
1968
).
95.
N. E.
Lee
and
E. K. C.
Lee
,
J. Chem. Phys.
50
,
2094
(
1969
).
96.
E. K. C.
Lee
,
Acc. Chem. Res.
10
,
319
(
1977
).
97.
E. J.
Heller
,
Acc. Chem. Res.
14
,
368
(
1981
).
98.
T. S.
Kuhlman
,
T. I.
Solling
, and
K. B.
Moller
,
ChemPhysChem
13
,
820
(
2012
).
99.
R. A.
Marcus
,
J. Chem. Phys.
20
,
359
(
1952
).
100.
T.
Beyer
and
D. F.
Swinehart
,
Commun. ACM
16
,
379
(
1973
).
101.
M.-H.
Kao
,
R. K.
Venkatraman
,
M. N. R.
Ashfold
, and
A. J.
Orr-Ewing
,
Chem. Sci.
11
,
1991
(
2020
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.