Linearized Pair-Density Functional Theory with Spin–Orbit Coupling

We include spin-orbit coupling (SOC) effects in linearized pair-density functional theory (L-PDFT), which is a multistate extension of multiconfiguration pair-density functional theory (MC-PDFT). Both 1-electron and 2-electron SOC integrals are computed using Breit-Pauli and Douglas-Kroll-Hess Hamiltonians in the atomic mean-field approximation. SO-L-PDFT removes the unphysical <i>J</i>-symmetry breaking observed in MC-PDFT. The accuracy of SO-L-PDFT is validated by calculations of zero-field splittings, fine-structure excitation energies, and low-energy excited-state spectra for a diverse group of atoms and molecules spanning the whole range of the periodic table, including atoms of groups 3, 11, and 13-17, the Ce<sup>3+</sup> and U<sup>5+</sup> ions, group 16 monohydrides, group 17 monoxides, lanthanide hexachlorides (<mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>6</mml:mn></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:math>, <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>6</mml:mn></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:math>, and <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>6</mml:mn></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:math>), actinyl ions (<mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi><mml:mi>O</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup></mml:math>, <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>O</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:math>), and tricarbonatoactinyl complexes (<mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi><mml:mi>O</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>O</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:math>, <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>O</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>O</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:math>). We also compare the results to new spin-orbit-inclusive calculations by single-state and multistate multireference perturbation theory.

Authors

Institutions

Publication Details

Journal
Journal of Chemical Theory and Computation
Published
2025-12-19
DOI
https://doi.org/10.1021/acs.jctc.5c01633
Primary Topic
Advanced Chemical Physics Studies
Type
article
Field-Weighted Citation Impact
0.00
Controls
|||
ALL TIME
JAN
FEB
MAR
APR
MAY
JUN
JUL
AUG
SEP
OCT
article

Linearized Pair-Density Functional Theory with Spin–Orbit Coupling

Matthew R. Hennefarth, Donald G. Truhlar, Laura Gagliardi, Matthew R. Hermes et al.
Journal of Chemical Theory and Computation
Advanced Chemical Physics Studies
article

Linearized Pair-Density Functional Theory with Spin–Orbit Coupling

Matthew R. Hennefarth, Donald G. Truhlar, Laura Gagliardi, Matthew R. Hermes, Bhavnesh Jangid
article en

Abstract

We include spin-orbit coupling (SOC) effects in linearized pair-density functional theory (L-PDFT), which is a multistate extension of multiconfiguration pair-density functional theory (MC-PDFT). Both 1-electron and 2-electron SOC integrals are computed using Breit-Pauli and Douglas-Kroll-Hess Hamiltonians in the atomic mean-field approximation. SO-L-PDFT removes the unphysical <i>J</i>-symmetry breaking observed in MC-PDFT. The accuracy of SO-L-PDFT is validated by calculations of zero-field splittings, fine-structure excitation energies, and low-energy excited-state spectra for a diverse group of atoms and molecules spanning the whole range of the periodic table, including atoms of groups 3, 11, and 13-17, the Ce<sup>3+</sup> and U<sup>5+</sup> ions, group 16 monohydrides, group 17 monoxides, lanthanide hexachlorides (<mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>6</mml:mn></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:math>, <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>6</mml:mn></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:math>, and <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>6</mml:mn></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:math>), actinyl ions (<mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi><mml:mi>O</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup></mml:math>, <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>O</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:math>), and tricarbonatoactinyl complexes (<mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi><mml:mi>O</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>O</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:math>, <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>O</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>O</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:math>). We also compare the results to new spin-orbit-inclusive calculations by single-state and multistate multireference perturbation theory.

Journal of Chemical Theory and ComputationVol. 22(1)
University of Minnesota System (US), Wekerle Business School (HU), Pittsburgh Supercomputing Center (US), University of Chicago (US), Minnesota Supercomputing Institute (US)
Openalex Percentile: Top 66%
Advanced Chemical Physics Studies
AI Navigator

Ask Laika to Summarize, Analyze, and Connect papers live on the map.

Summarize Papers & Methodologies

Extract key findings, datasets, and comparative methods across publications.

Benchmark Rankings & Visual Analytics

Rank top research institutions, authors, funders, topics, and journals by Field-Weighted Citation Impact (FWCI) and paper volume with instant charts.

Connect Distant Disciplines

Bridge topological clusters on the map to find hidden collaborative intersections.