Investigation of the electronic structure of ytterbium compounds by the method of coupled clusters

Abstract

Химические соединения, содержащие f- и тяжелые d-элементы, обладают рядом уникальных свойств, из-за которых они представляют широкий практический интерес. Однако уже теоретическое исследование электронной структуры таких молекул связано с рядом трудностей, так как расчеты требуют одновременного учета релятивистских и корреляционных эффектов на самом высоком уровне точности.

Объектами исследования выбраны молекулы YbHaln (Hal = F, Cl, n = 1, 2, 3). Целью работы является моделирование электронной структуры и расчет свойств, описывающих эффективное состояние иттербия в данных молекулах. В качестве критерия корректности воспроизведения электронной плотности выбран химический сдвиг (ХС) линий рентгеновского эмиссионного спектра (РЭС) атома иттербия в различных соединениях, что является серьезной теоретической проблемой из-за малости величины ХС РЭС для тяжелых элементов по сравнению с энергией рассматриваемых K и L переходов (отношение ~ 10^-4 - 10^-5).

Для данных молекул найдены равновесные структуры. Впервые при помощи метода связанных кластеров и разработанной ранее научной группой ПИЯФ теории вычислены химические сдвиги линий РЭС в молекуле YbHal3 относительно молекулы YbHal2, а также проанализирована зависимость величины ХС от величины базисного набора на галогене.

Chemical compounds containing f- and heavy d-elements have a number of unique properties, because of which they are of wide practical interest. However, the theoretical study of the electronic structure of such molecules is associated with a number of difficulties, since calculations require simultaneous consideration of relativistic and correlation effects at the highest level of accuracy.

The objects of the study are YbHaln molecules (Hal = F, Cl, n = 1, 2, 3). The aim of the work is to model the electronic structure and calculate the properties describing the effective state of ytterbium in these molecules. The chemical shift (CS) of the lines of the X-ray emission spectrum (XES) of the ytterbium atom in various compounds was chosen as a criterion for the correctness of electron density reproduction, which is a serious theoretical problem due to the smallness of the XC RES value for heavy elements compared to the energy of the considered K and L transitions (ratio ~ 10^-4 - 10^-5).

Equilibrium structures have been found for these molecules. For the first time, chemical shifts of XES lines in the YbHal3 molecule relative to the YbHal2 molecule were calculated using the coupled cluster method and the theory developed earlier by the PNPI scientific group, and the dependence of the CS value on the basis set size on the halogen was analyzed.