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2022 Fiscal Year Research-status Report

Relativistic effect on ligand field splitting of metal complexes: a fundamental theory of heavy element chemistry

Research Project

Project/Area Number 21K14643
Research InstitutionKyoto University

Principal Investigator

砂賀 彩光  京都大学, 理学研究科, 特定研究員 (60885416)

Project Period (FY) 2021-04-01 – 2024-03-31
Keywords相対論的量子化学 / 錯体化学 / スピン軌道相互作用 / 配位子場分裂 / ヤーン・テラー効果 / 重元素 / 分子構造 / 多配置性
Outline of Annual Research Achievements

令和4年度は、第6周期元素を含んだ6フッ化物XF6(X=Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg)の構造最適化をスピン軌道(SO)相互作用を含んだ相対論的多配置配置間相互作用(MRCI)法を用いて実施した。分子軌道は平均配置法を用いて計算した。ハミルトニアンには厳密2成分法(X2C)を用いた
XF6に対して、赤道面上の4つのF原子と、軸上の2つのF原子の核間距離をそれぞれ変えて計算を行ない、得られた離散的なポテンシャルエネルギー曲面(PES)を多項式展開でフィッティングすることで、XF6錯体の平衡構造を探索した。
ReF6はヤーン・テラー(JT)効果による歪み構造(D4h)、IrF6とHgF6は正八面体構造(Oh)が平衡構造となり、先行研究における内殻ポテンシャル(PP)を使用したCCSD(T)法の計算と同様の傾向が得られた。OsF6については、歪み構造が得られたものの、歪みの度合いはPP-CCSD(T)法より小さかった。その理由は、当研究ではSO相互作用により正八面体構造においても分子軌道が分裂しているため、歪みによる安定化が少なくて済むためだと考えられる。
PtF6については、PESを描く過程でイオン結合的な電子状態と共有結合的な電子状態の2種類の電子状態が現れた。AuF6については、PESを描く過程でSCFが収束しない構造が現れた。PtF6とAuF6については、他の錯体の場合より小さいステップ幅を用いて、平衡構造の近傍のみに注目して構造最適化計算を実施中であるが、途中経過は良好である。
XF6錯体の構造におけるSO相互作用の影響を調べるため、SO相互作用を含まないスピンフリー(SF)相対論法を用いた計算も開始した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

以下のように、研究を行う過程で困難に直面したものの、解決法を見出すことができたため、おおむね順調に進展していると判断した。
1)MRCI法では行列要素を対角化して電子状態を計算するため、仮想軌道の数が増えると、計算時間が膨大になる。そのため、摂動法や結合クラスター法等の電子相関法と比べると、MRCI法では考慮する仮想軌道を低いエネルギー準位で打ち切る必要がある。構造を変化させる時に、仮想軌道のエネルギー準位が変わってしまい、スムーズなPESが描けない、という問題が発生した。予定していた活性空間より大きな活性空間を用いることで、この問題を解決した。
2)PtF6とAuF6について、予期しない電子状態および収束の問題が現れた。両者ともに、ステップ幅を狭めて平衡核間距離の極近傍のみを計算することで、計算の途中経過については、安定した計算を行うことに成功した。
3)SF相対論法のプログラムでは、計算のinputにおいて、活性空間に含める軌道数のエネルギー準位の両方を一致させて入力する必要がある。一方、構造を変化させると、同じエネルギー準位でも軌道数が変化してしまうという問題が発生した。そこで、軌道数を固定して、その軌道に対応する軌道エネルギーを指定するためのプログラムを作成することで、スクリプトを用いて自動的にPESを計算できるようにした。

Strategy for Future Research Activity

次年度は、SO相互作用込みの相対論法、SF相対論法ともに、構造最適化計算を続行し、各XF6錯体における平衡構造を特定する。SF相対論計算については、各XF6において考えられるスピン状態を全て計算する。当研究の計算結果と、先行研究の単配置PP-CCSD(T)法の計算結果を比較することで、6フッ化錯体の構造におけるSO相互作用および多配置性の影響を明らかにする。参照データとなる計算はMRCI法を用いて行うが、MRCI法で得られた結論が軌道描像でも定性的に説明できるかどうか検討する。
平衡構造が得られたら、電子励起状態計算を行うことで、SO相互作用に起因した励起スペクトルの分裂を示す。構造最適化計算では、電子基底状態を計算するため、SO分裂後の低エネルギーの仮想軌道に優先的に占有数を指定した。一方で、電子励起状態計算を行う際は、配位子場分裂におけるSO分裂した仮想軌道も、SCF計算で最適化する必要があると考えられる。

Causes of Carryover

コロナ禍により海外で開催される国際学会に参加することができなかったため。

  • Research Products

    (15 results)

All 2023 2022 Other

All Int'l Joint Research (3 results) Journal Article (5 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Peer Reviewed: 5 results) Presentation (5 results) (of which Invited: 2 results) Book (1 results) Remarks (1 results)

  • [Int'l Joint Research] Nicolaus Copernicus University(ポーランド)

    • Country Name
      POLAND
    • Counterpart Institution
      Nicolaus Copernicus University
  • [Int'l Joint Research] Universite: Toulouse III-Paul Sabatier(フランス)

    • Country Name
      FRANCE
    • Counterpart Institution
      Universite: Toulouse III-Paul Sabatier
  • [Int'l Joint Research] Dirac Solutions(米国)

    • Country Name
      U.S.A.
    • Counterpart Institution
      Dirac Solutions
  • [Journal Article] Crystallographic and/or magnetic properties of neutral and cationic uranium(IV) sandwiched phthalocyanine complexes2023

    • Author(s)
      Tabata Chihiro、Watanabe Hirohito、Shirasaki Kenji、Sunaga Ayaki、Fukuda Takamitsu、Li Dexin、Yamamura Tomoo
    • Journal Title

      Journal of Molecular Structure

      Volume: 1277 Pages: 134870~134870

    • DOI

      10.1016/j.molstruc.2022.134870

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Observation of an Inner-Shell Orbital Clock Transition in Neutral Ytterbium Atoms2023

    • Author(s)
      Ishiyama Taiki、Ono Koki、Takano Tetsushi、Sunaga Ayaki、Takahashi Yoshiro
    • Journal Title

      Physical Review Letters

      Volume: 130 Pages: 153402

    • DOI

      10.1103/PhysRevLett.130.153402

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] 4-component relativistic Hamiltonian with effective QED potentials for molecular calculations2022

    • Author(s)
      Sunaga Ayaki、Salman Maen、Saue Trond
    • Journal Title

      The Journal of Chemical Physics

      Volume: 157 Pages: 164101~164101

    • DOI

      10.1063/5.0116140

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Linearity and Chemical Bond of UO<sub>2</sub><sup>2+</sup> Revisited: A Comparison Study with UN<sub>2</sub> and UE<sub>2</sub><sup>2+</sup> (E = S, Se, and Te) Based on Relativistic Calculations2022

    • Author(s)
      Sunaga Ayaki、Tabata Chihiro、Yamamura Tomoo
    • Journal Title

      The Journal of Physical Chemistry A

      Volume: 126 Pages: 8606~8617

    • DOI

      10.1021/acs.jpca.2c05216

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Diffuse Basis Functions for Relativistic s and d Block Gaussian Basis Sets2022

    • Author(s)
      Dyall Kenneth G.、Tecmer Pawel、Sunaga Ayaki
    • Journal Title

      Journal of Chemical Theory and Computation

      Volume: 19 Pages: 198~210

    • DOI

      10.1021/acs.jctc.2c01050

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Presentation] Relativistic calculations of enhancement factors for nuclear magnetic quadrupole moment in Yb atom2023

    • Author(s)
      Ayaki Sunaga, Amar Vutha, Yuiki Takahashi, Yoshiro Takahashi
    • Organizer
      第78回日本物理学会春季大会
  • [Presentation] 化学における量子電磁力学効果と分子を用いたCP対称性破れの探索2023

    • Author(s)
      砂賀彩光
    • Organizer
      第18回京都大学福井謙一記念研究センターシンポジウム
    • Invited
  • [Presentation] ダークマター探索を目指した同位体シフトの相対論計算2022

    • Author(s)
      砂賀 彩光, 小野 滉貴, 石山 泰樹, 高野 哲至, 高須 洋介, 田中 実, 高橋 義朗
    • Organizer
      The 14th International Workshop on Fundamental Physics Using Atoms (FPUA2022) 2022年11月24日
  • [Presentation] 相対論的多体理論が先導する同位体シフトにおける新物理2022

    • Author(s)
      砂賀 彩光, 小野 滉貴, 田中 実, 高橋 義朗
    • Organizer
      第1回 新方式精密計測による物理・工学的変革を目指す回路技術調査専門委員会
    • Invited
  • [Presentation] 同位体シフトにおける標準模型を超えた新物理:相対論に基づく精密計算と解析2022

    • Author(s)
      砂賀 彩光, 小野 滉貴, 田中 実, 高橋 義朗
    • Organizer
      第24回理論化学討論会
  • [Book] 計算化学(第3版)2023

    • Author(s)
      Frank Jensen、後藤仁志、立川仁典、長嶋雲兵、五十幡康弘、内田希、神谷 宗明、北 幸海、小林 正人、佐藤 啓文、重田 育照、砂賀 彩光、武次 徹也、常田 貴夫、長谷川 淳也、波田 雅彦、森 聖治
    • Total Pages
      912
    • Publisher
      森北出版
    • ISBN
      978-4-627-24233-3
  • [Remarks] JCP: Featured Article and 2022 Editors' Choice

    • URL

      https://pubs.aip.org/aip/jcp/article/157/16/164101/2841967/4-component-relativistic-Hamiltonian-with

URL: 

Published: 2023-12-25  

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