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Theory of Magnetic Properties in Quantum Electrodynamics Environments: Application to Molecular Aromaticity
Journal of Chemical Theory and Computation ( IF 5.7 ) Pub Date : 2024-09-10 , DOI: 10.1021/acs.jctc.4c00195 Alberto Barlini 1 , Andrea Bianchi 1 , Enrico Ronca 2 , Henrik Koch 3
Journal of Chemical Theory and Computation ( IF 5.7 ) Pub Date : 2024-09-10 , DOI: 10.1021/acs.jctc.4c00195 Alberto Barlini 1 , Andrea Bianchi 1 , Enrico Ronca 2 , Henrik Koch 3
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In this work, we present ab initio cavity quantum electrodynamics (QED) methods which include interactions with a static magnetic field and nuclear spin degrees of freedom using different treatments of the quantum electromagnetic field. We derive explicit expressions for QED-HF magnetizability, nuclear shielding, and spin–spin coupling tensors. We apply this theory to explore the influence of the cavity field on the magnetizability of saturated, unsaturated, and aromatic hydrocarbons, showing the effects of different polarization orientations and coupling strengths. We also examine how the cavity affects aromaticity descriptors, such as the nucleus-independent chemical shift and magnetizability exaltation. We employ these descriptors to study the trimerization reaction of acetylene to benzene. We show how the optical cavity induces modifications in the aromatic character of the transition state leading to variations in the activation energy of the reaction. Our findings shed light on the effects induced by the cavity on magnetic properties, especially in the context of aromatic molecules, providing valuable insights into understanding the interplay between the quantum electromagnetic field and molecules.
中文翻译：
量子电动力学环境中的磁特性理论：在分子芳香性中的应用
在这项工作中，我们提出了从头算腔量子电动力学（QED）方法，其中包括使用量子电磁场的不同处理与静磁场和核自旋自由度的相互作用。我们推导出 QED-HF 磁化率、核屏蔽和自旋-自旋耦合张量的显式表达式。我们应用该理论探讨了空腔场对饱和、不饱和和芳香烃磁化率的影响，显示了不同极化方向和耦合强度的影响。我们还研究了空腔如何影响芳香性描述符，例如与核无关的化学位移和磁化性提升。我们利用这些描述符来研究乙炔到苯的三聚反应。我们展示了光学腔如何引起过渡态芳香特征的改变，从而导致反应活化能的变化。我们的研究结果揭示了空腔对磁特性的影响，特别是在芳香分子的背景下，为理解量子电磁场和分子之间的相互作用提供了宝贵的见解。
更新日期：2024-09-10
中文翻译：
量子电动力学环境中的磁特性理论：在分子芳香性中的应用
在这项工作中，我们提出了从头算腔量子电动力学（QED）方法，其中包括使用量子电磁场的不同处理与静磁场和核自旋自由度的相互作用。我们推导出 QED-HF 磁化率、核屏蔽和自旋-自旋耦合张量的显式表达式。我们应用该理论探讨了空腔场对饱和、不饱和和芳香烃磁化率的影响，显示了不同极化方向和耦合强度的影响。我们还研究了空腔如何影响芳香性描述符，例如与核无关的化学位移和磁化性提升。我们利用这些描述符来研究乙炔到苯的三聚反应。我们展示了光学腔如何引起过渡态芳香特征的改变，从而导致反应活化能的变化。我们的研究结果揭示了空腔对磁特性的影响，特别是在芳香分子的背景下，为理解量子电磁场和分子之间的相互作用提供了宝贵的见解。
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