杂化耦合簇方法的发展

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近几十年来,量子化学在化学,物理和生物问题中的应用迅速增加。例如,计算标度相对较低的密度泛函(DFT)方法已经被成功地用于研究平衡结构附近的分子和材料。结合分子力学(MM),量子力学/分子力学组合方法(QM/MM)甚至可以研究某些大的生物体系。然而,还有很多问题需要更高精度的从头算相关方法。比如,精确估算一些简单反应的势垒就需要高精度的方法。传统的耦合簇(CC)方法,如在单激发与双激发CC方法基础上考虑三激发微扰矫正的CCSD(T),可以为平衡结构附近的闭壳层分子提供非常准确的结果,被认为是“量子化学的黄金标准”。然而,对于开壳层体系,自由基以及含有断键的体系,会出现行列式组态简并和近简并的情形,所有未考虑高阶激发的单参考电子相关方法都将失效。如果单纯地提高方法的激发等级,像CCSDT和CCSDTQ方法,将会使计算标度迅速上升,因此这些方法只能应用于很小的体系。为了解决这一问题,人们发展了几种多参考态(MR)的CC方法。然而,目前多参考CC方法依然还有很多问题。我们认为,仍有必要发展新的快速准确的单参考(SR)CC方法。本论文的主要工作在于发展将活化空间CC方法和CCSD(T)方法组合的杂化CC方法,使之适合处理某些带有多参考性质的分子。特别是,本论文中首次提出并实现了将CCSDtq和CCSD(T)杂化的CCSD(T)q-h方法。为了使杂化CC方法能够处理中等大小的体系,我们提出了求解类CCSD(T)方程的非迭代方案。这些新的发展,使杂化CC方法有望成为研究势能面和双自由基性质分子的有效手段。本文的主要成果和创新点总结如下:第二章中,为处理有较强多参考性质的分子的电子结构,我们通过组合活化空间CC方法(CCSDt与CCSDtq)和上述CCSD(T)方法,发展了称为CCSD(T)-h和CCSD(T)q-h的两种杂化耦合簇方法。基于非限制性HF计算,我们提出了构建活化轨道空间的一般方案,并提出了求解这些杂化方法中类CCSD(T)方程的非迭代方案,避免了存储全部的三激发系数。我们也将描述实现自动生成CC公式并且转化成计算程序的思路。第三章中,我们利用CCSD(T)-h和CCSD(T)q-h方法研究一些简单分子中单键和多键解离的基态势能面,并将其结果与CCSDT方法,CCSDTQ方法以及全组态相互作用(FCI)方法进行了比较。结果表明CCSD(T)-h和CCSD(T)q-h分别是CCSDT和CCSDTQ极好的近似。另外,我们也用CCSD(T)-h方法研究了一些涉及开壳层体系的典型反应的势垒,以及一些双原子开壳层分子的光谱常数。计算表明,CCSD(T)-h和CCSD(T)q-h能够提供明显优于CCSD(T)的结果。第四章中,对基于分裂的非占据轨道的单双及杂化三激发CC方法,即SVO-CCSD(T)-h,我们提出了一种高效的算法。在该方法中,通过使用一个辅助的小基组,我们将大基组时的非占据轨道分成“活化”与“非活化”两部分。随后,三激发也如同在CCSD(T)-h里那样被分为两部分并用杂化的方式处理。通过使用准正则轨道,我们极大简化了类CCSD(T)方程的求解,使SVO-CCSD(T)-h能应用于中等大小体系的计算。利用该方法,我们研究了一些简单反应的势垒和开壳层分子的光谱常数。计算结果表明,在大多数情形,SVO-CCSD(T)-h方法的精度比CCSD(T)方法有显著提高。
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