非正交定域分子轨道方法的改进及其在增长法中的应用

This project is to develop a computational quantum chemistry method for biosystems and materials in high accuracy and efficiency. The elongation method based on the non-orthogonal localized molecular orbitals (NOLMO) targets to a linear scaling program. Due to its high quality in localization, methods using NOLMO become a research hotpoint. The project first improves the NOLMO method and then applies it to the elongation method. The elongation method, though already in linear scaling, the efficiency can be much more improved if it adopts NOLMOs. This proposal is dealing with how the elongation method collaborated with NOLMOs and the working formulas of the elongation method with NOLMOs. Furthermore, it will work out the elongation MP2 and CCSD methods by using NOLMOs. Then, a program as a useful tool for computational chemistry will be coded with high efficiency and accuracy for studying the electronic structures and properties of large bio- and material systems.

)：本申请基于高精度高效率的量子化学计算程序在研究生物和材料大分子方面的需求，拟发展一套基于非正交定域分子轨道的计算量子化学方法和程序。由于轨道定域性好的优势，非正交定域分子轨道是最近研究的一个热点，也是计算化学领域今后的发展方向之一。本申请首先改进非正交定域分子轨道方法，使其收敛更快、效率更高。增长法是一种高精度高效率的计算方法，原先采用的是正交定域分子轨道，由于正交归一性的限制，对于大体系尚有不少非零矩阵元，若采用非正交定域分子轨道，可以极大地提高增长法的计算效率。本项目拟建立基于非正交定域分子轨道的增长法的计算方案和相关公式，以及建立基于非正交定域分子轨道的增长法的MP2、CCSD 等方法，进而编制出高精度、高效率、有自主知识产权的用于计算超大体系的增长法程序。本项目的完成将为研究超大体系的生物分子性质和设计新材料分子提供有力的工具。

基于高精度高效率的量子化学计算程序在研究生物和材料大分子方面的需求，本项目的目标是发展一套基于非正交定域分子轨道的计算量子化学方法和程序。非正交定域分子轨道具有定域性优良的特点，对大体系的计算可以实现线性标度，是计算化学领域今后发展的重要方向。本项目对非正交定域分子轨道方法的改进首先是彻底解决其收敛难的问题，推导出解析的二阶导数并引入到波函数的优化过程中，从而使其收敛速度更快、计算效率更高，可以达到线性标度计算的目标。增长法原先采用的是正交定域分子轨道，由于正交性的限制，使得波函数的“正交性尾巴”特别长，不能启动截断技术，严重影响了增长法的计算效率。在增长法中引入非正交定域分子轨道，使其可以更早的进行截断从而实现大体系线性标度的计算。该项目一方面改进了非正交定域分子轨道方法同时也把非正交定域分子轨道应用到增长法中，并完成了一个基于非正交定域分子轨道的量子化学程序，可以对生物或材料大分子体进行高精度高效率的量子化学计算。