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如果不考虑自然界本身存在的相对论效应,那么自旋将是守恒量。这就意味着,一个体系的多重度是确定的。例如<chem>H2</chem>分子基态为单重态、<chem>O2</chem>分子基态为三重态。但如果考虑相对论效应,自旋磁矩和轨道磁矩将会发生微小的耦合,导致二者都不守恒。因此自旋,也就不再是好量子数。既然不是好量子数,那么所谓的三重态对应的三个所谓的Sz态,即Sz期望值近似等于-1、0、+1的三个态,能量也会略有差别。这个差别导致了三重态的劈裂。
不仅如此,单重态也不再是严格意义的单重态,而只是近似为单重态。
因此,在相对论的框架下,就不再有自旋多重度的概念。而只是近似存在这些概念。
激发态的基本计算,紫外-可见吸收谱与自然跃迁轨道NTO、跃迁偶极矩(非相对论),用户可以根据自己的需要(或文献的建议),修改泛函、基组。对于能级劈裂,更改为如下的特殊设置,即可得到相应的寿命数据:
Main菜单的设置:Relativity (ZORA) 设为:Scalar,Properties——Type of Excitations 设为:Spin-Orbit (Pertubative)
以scalar和Spin-Orbit (Pertubative)为例,计算结果中,查看激发态的列表,可以看到:
前三行的就是劈裂为三个激发态的T1态,能量略有差别。本例计算的是H2O分子,相对论效应不明显,因此劈裂也非常不明显。
这些经过SOC的激发态,不再是严格的单重态或三重态,而是各种态的叠加,但是以某种态为主。*.out文件往上翻一些,就可以看到每个态的构成:
Major single group excitation contributions for the above excitations Excitation Single group Excitation weight Contribution to transition dipole moment Nr. excited states energy /eV (sum=1) Re (x,y,z) Im (x,y,z) 1: Ground state 0.0000 0.9945 1: T_Sz=1 3A 2.6359 0.0018 1: T_Sz=-1 3A 2.6359 0.0018 2: T_Sz=1 1A 2.2264 0.4115 0.0000 0.0000 0.0016 0.0000 0.0000 0.0000 2: T_Sz=-1 1A 2.2264 0.4115 0.0000 0.0000 0.0016 0.0000 0.0000 0.0000 2: T_Sz=0 3A 2.6359 0.1340 0.0000 0.0000 0.0005 0.0000 0.0000 0.0000 2: T_Sz=0 9A 3.2239 0.0223 2: T_Sz=1 6A 2.9590 0.0042 -0.0000 -0.0000 0.0003 0.0000 0.0000 0.0000 2: T_Sz=-1 6A 2.9590 0.0042 -0.0000 -0.0000 0.0003 0.0000 0.0000 0.0000 2: Singlet 7A 3.2863 0.0032 -0.0011 0.0005 0.0006 0.0000 0.0000 0.0000 2: T_Sz=1 2A 2.4400 0.0024 2: T_Sz=-1 2A 2.4400 0.0024 2: T_Sz=1 5A 2.9508 0.0014 2: T_Sz=-1 5A 2.9508 0.0014 3: T_Sz=0 1A 2.2264 0.8125 -0.0015 0.0205 0.0041 0.0000 0.0000 0.0000 3: T_Sz=1 3A 2.6359 0.0754 -0.0522 -0.0095 -0.0046 0.0000 0.0000 0.0000 3: T_Sz=-1 3A 2.6359 0.0754 -0.0522 -0.0095 -0.0046 0.0000 0.0000 0.0000 3: T_Sz=1 9A 3.2239 0.0121 0.0092 0.0023 0.0006 0.0000 0.0000 0.0000 3: T_Sz=-1 9A 3.2239 0.0121 0.0092 0.0023 0.0006 0.0000 0.0000 0.0000 3: T_Sz=0 6A 2.9590 0.0081 0.0025 0.0021 0.0002 0.0000 0.0000 0.0000 3: T_Sz=0 5A 2.9508 0.0027 -0.0007 0.0005 0.0002 0.0000 0.0000 0.0000 4: T_Sz=-1 1A 2.2264 0.4325 -0.0000 -0.0000 -0.0002 0.0000 0.0000 0.0000 4: T_Sz=1 1A 2.2264 0.4325 -0.0000 -0.0000 -0.0002 0.0000 0.0000 0.0000 4: Singlet 2A 2.7371 0.0728 0.0005 0.0000 0.0388 0.0000 0.0000 0.0000 4: Singlet 7A 3.2863 0.0242 -0.0029 0.0015 0.0016 0.0000 0.0000 0.0000 4: T_Sz=-1 2A 2.4400 0.0105 0.0000 0.0000 -0.0005 0.0000 0.0000 0.0000 4: T_Sz=1 2A 2.4400 0.0105 0.0000 0.0000 -0.0005 0.0000 0.0000 0.0000 4: T_Sz=0 9A 3.2239 0.0050 4: T_Sz=-1 6A 2.9590 0.0035 4: T_Sz=1 6A 2.9590 0.0035 4: T_Sz=0 3A 2.6359 0.0015 4: T_Sz=-1 5A 2.9508 0.0013 -0.0000 -0.0000 -0.0001 0.0000 0.0000 0.0000 4: T_Sz=1 5A 2.9508 0.0013 -0.0000 -0.0000 -0.0001 0.0000 0.0000 0.0000 以下省略
例如第一个态:99.45%的组分是Ground state,然后混入了0.018%的T_Sz=1(三重态的其中一个分态),T_Sz=-1(三重态的令一个分态)。
计算参数设置非常简单,任务类型选择single point,其他参数参考ADF参数设置详解。
其中Relativity选择Scalar,勾选Unrestricted:
上图中表示计算三重态的ZFS。只有二重态及其以上才有零场劈裂,如果要计算N重态,Spin Polarization设置为N-1。
Properties > ESR,EPR,EFG,ZFS菜单中,勾选ZFS:
自旋-轨道耦合与自旋-自旋耦合均可导致零场劈裂,关心哪一种,就勾选哪一个选项即可。
计算完毕,在out窗口 > Other Properties > ZFS即可看到。