Analysis of Electron Correlation Effects in Strongly Correlated Systems

Abstract

To explore new approaches for wave function based correlation methods in chemistry, the electron correlation effects of different model systems are analyzed by means of Quantum Information Theory (QIT) and the Method of Increments (MoI). Data for the QIT is obtained based on calculations employing the Density Matrix Renormalization Group (DMRG) and Full Configuration Interaction Quantum Monte Carlo (FCIQMC) methods. The investigation covers standard model systems for strong correlation, such as the dissociation of N2 and N2+, as well as polyacetylene, Be6 rings and the cobalt fluorides CoF2, CoF3 and CoF4. The latter represent challenging open-shell, transition metal containing compounds that may be systematically extended to linear chains. The observations stimulate a novel approach to select the configuration space in multi-reference calculations, promising reduced computational scaling for strongly correlated systems with large active spaces. Furthermore, a correspondence between entropies (QIT) and increments (MoI) is demonstrated, which suggests the related methods may be combined to exploit their different advantages. Finally, the correlation analysis of the cobalt fluorides yields valuable insights to extent the study to longer, linear chains.

Auf der Suche nach neuen Ansätzen für Elektronen-Korrelationsmethoden in der Chemie werden die Korrelationseffekte verschiedener Modelle mit Hilfe von Quanteninformationstheorie (QIT) und der Inkrementenmethode (MoI) untersucht. Die QIT Daten basieren dabei auf Ergebnissen der Dichtematrix Renormierungsgruppe (DMRG) und der Full Configuration Interaction Quanten Monte Carlo (FCIQMC) Methoden. Die untersuchten Systeme umfassen ein Standardmodell für starke Korrelation, die Dissoziation von N2 und N2+, sowie Polyacetylen, Be6 Ringe und die Cobaltfluoride CoF2, CoF3 und CoF4. Letztere stellen herausfordernde, offen-schalige Übergangsmetallverbindungen dar, welche sich systematisch zu linearen Ketten erweitern lassen. Die Beobachtungen regen einen neuen Ansatz zur Auswahl von Elektronen Konfigurationen in Multireferenz-Methoden an, und versprechen besonders für stark korrelierte Systeme eine Reduzierung des Rechenaufwandes. Darüber hinaus wird die Vergleichbarkeit von Entropien (QIT) mit den Inkrementen (MoI) demonstriert. Dies ermöglicht eine Übertragbarkeit der Ergebnisse und erlaubt dadurch die Stärken beider Ansätze auszunutzen. Die Analyse der Korrelationseffekte in den Cobaltfluoriden liefert außerdem wertvolle Informationen um die Untersuchungen auf längere, lineare Ketten auszuweiten.