The program system MOLCAS is a package for calculations of electronic and structural properties of molecular systems in gas, liquid, or solid phase. It contains a number of modern quantum chemical methods for studies of the electronic structure in ground and excited electronic states. A macromolecular environment can be modeled by a combination of quantum chemistry and molecular mechanics. It is further possible to describe a crystalline material using model potentials. Solvent effects can be treated using continuum models or by combining quantum chemical calculations with molecular dynamics or Monte-Carlo simulations. MOLCAS is especially adapted to treat systems with a complex electronic structure, where the simplest quantum chemical models do not work. These features together with the inclusion of relativistic effects makes it possible to treat with good accuracy systems including atoms from the entire periodic system. MOLCAS has effective methods for geometry optimization of equilibria, transition states, conical intersections, etc. This facilitates studies of excited state energy surfaces, spectroscopy, and photochemical processes.

Abstract Some of the new unique features of the MOLCAS quantum chemistry package version 7 are presented in this report. In particular, the Cholesky decomposition method applied to some quantum chemical methods is described. This approach is used both in the context of a straight forward approximation of the two‐electron integrals and in the generation of so‐called auxiliary basis sets. The article describes how the method is implemented for most known wave functions models: self‐consistent field, density functional theory, 2nd order perturbation theory, complete‐active space self‐consistent field multiconfigurational reference 2nd order perturbation theory, and coupled‐cluster methods. The report further elaborates on the implementation of a restricted‐active space self‐consistent field reference function in conjunction with 2nd order perturbation theory. The average atomic natural orbital basis for relativistic calculations, covering the whole periodic table, are described and associated unique properties are demonstrated. Furthermore, the use of the arbitrary order Douglas‐Kroll‐Hess transformation for one‐component relativistic calculations and its implementation are discussed. This section especially focuses on the implementation of the so‐called picture‐change‐free atomic orbital property integrals. Moreover, the ElectroStatic Potential Fitted scheme, a version of a quantum mechanics/molecular mechanics hybrid method implemented in MOLCAS, is described and discussed. Finally, the report discusses the use of the MOLCAS package for advanced studies of photo chemical phenomena and the usefulness of the algorithms for constrained geometry optimization in MOLCAS in association with such studies. © 2009 Wiley Periodicals, Inc. J Comput Chem 2010

In this report, we summarize and describe the recent unique updates and additions to the M olcas quantum chemistry program suite as contained in release version 8. These updates include natural and spin orbitals for studies of magnetic properties, local and linear scaling methods for the Douglas–Kroll–Hess transformation, the generalized active space concept in MCSCF methods, a combination of multiconfigurational wave functions with density functional theory in the MC‐PDFT method, additional methods for computation of magnetic properties, methods for diabatization, analytical gradients of state average complete active space SCF in association with density fitting, methods for constrained fragment optimization, large‐scale parallel multireference configuration interaction including analytic gradients via the interface to the C olumbus package, and approximations of the CASPT2 method to be used for computations of large systems. In addition, the report includes the description of a computational machinery for nonlinear optical spectroscopy through an interface to the QM/MM package C obramm . Further, a module to run molecular dynamics simulations is added, two surface hopping algorithms are included to enable nonadiabatic calculations, and the DQ method for diabatization is added. Finally, we report on the subject of improvements with respects to alternative file options and parallelization. © 2015 Wiley Periodicals, Inc.

New basis sets of the atomic natural orbital (ANO) type have been developed for the main group and rare gas atoms. The ANO's have been obtained from the average density matrix of the ground and lowest excited states of the atom, the positive and negative ions, and the dimer at its equilibrium geometry. Scalar relativistic effects are included through the use of a Douglas−Kroll Hamiltonian. Multiconfigurational wave functions have been used with dynamic correlation included using second-order perturbation theory (CASSCF/CASPT2). The basis sets are applied in calculations of ionization energies, electron affinities, and excitation energies for all atoms and the ground-state potentials for the dimers. These calculations include spin−orbit coupling using the RASSCF State Interaction (RASSI-SO) method. The spin−orbit splitting for the lowest atomic term is reproduced with an accuracy of better than 0.05 eV, except for row 5, where it is 0.15 eV. Ionization energies and electron affinities have an accuracy bett...

New basis sets of the atomic natural orbital (ANO) type have been developed for the first, second, and third row transition metal atoms. The ANOs have been obtained from the average density matrix of the ground and lowest excited states of the atom, the positive and negative ions, and the atom in an electric field. Scalar relativistic effects are included through the use of a Douglas−Kroll−Hess Hamiltonian. Multiconfigurational wave functions have been used with dynamic correlation included using second order perturbation theory (CASSCF/CASPT2). The basis sets are applied in calculations of ionization energies, electron affinities, and excitation energies for all atoms and polarizabilities for spherically symmetric atoms. These calculations include spin−orbit coupling using a variation−perturbation approach. Computed ionization energies have an accuracy better than 0.2 eV in most cases. The accuracy of computed electron affinities is the same except in cases where the experimental values are smaller than 0.5 eV. Accurate results are obtained for the polarizabilities of atoms with spherical symmetry. Multiplet levels are presented for some of the third row transition metals.

In this Article we describe the OpenMolcas environment and invite the computational chemistry community to collaborate. The open-source project already includes a large number of new developments realized during the transition from the commercial MOLCAS product to the open-source platform. The paper initially describes the technical details of the new software development platform. This is followed by brief presentations of many new methods, implementations, and features of the OpenMolcas program suite. These developments include novel wave function methods such as stochastic complete active space self-consistent field, density matrix renormalization group (DMRG) methods, and hybrid multiconfigurational wave function and density functional theory models. Some of these implementations include an array of additional options and functionalities. The paper proceeds and describes developments related to explorations of potential energy surfaces. Here we present methods for the optimization of conical intersections, the simulation of adiabatic and nonadiabatic molecular dynamics, and interfaces to tools for semiclassical and quantum mechanical nuclear dynamics. Furthermore, the Article describes features unique to simulations of spectroscopic and magnetic phenomena such as the exact semiclassical description of the interaction between light and matter, various X-ray processes, magnetic circular dichroism, and properties. Finally, the paper describes a number of built-in and add-on features to support the OpenMolcas platform with postcalculation analysis and visualization, a multiscale simulation option using frozen-density embedding theory, and new electronic and muonic basis sets.

A newly proposed quantum chemical approach for ab initio calculations of electronic spectra of molecular systems is applied to the molecules ethene, trans-1,3-butadiene, and trans-trans-1,3,5-hexatriene. The method has the aim of being accurate to better than 0.5 eV for excitation energies and is expected to provide structural and physical data for the excited states with good reliability. The approach is based on the complete active space (CAS) SCF method, which gives a proper description of the major features in the electronic structure of the excited state, independent of its complexity, accounts for all near degeneracy effects, and includes full orbital relaxation. Remaining dynamic electron correlation effects are in a subsequent step added using second order perturbation theory with the CASSCF wave function as the reference state. The approach is here tested in a calculation of the valence and Rydberg excited singlet and triplet states of the title molecules, using extended atomic natural orbital (ANO) basis sets. The ethene calculations comprised the two valence states plus all singlet and triplet Rydberg states of 3s, 3p, and 3d character, with errors in computed excitation energies smaller than 0.13 eV in all cases except the V state, for which the vertical excitation energy was about 0.4 eV too large. The two lowest triplet states and nine singlet states were studied in butadiene. The largest error (0.37 eV) was found for the 2 1Bu state. The two lowest triplet and seven lowest singlet states in hexatriene had excitation energies in error with less than 0.17 eV.

New basis sets of the atomic natural orbital (ANO) type have been developed for the lanthanide atoms La-Lu. The ANOs have been obtained from the average density matrix of the ground and lowest excited states of the atom, the positive ions, and the atom in an electric field. Scalar relativistic effects are included through the use of a Douglas-Kroll-Hess Hamiltonian. Multiconfigurational wave functions have been used with dynamic correlation included using second-order perturbation theory (CASSCF/CASPT2). The basis sets are applied in calculations of ionization energies and some excitation energies. Computed ionization energies have an accuracy better than 0.1 eV in most cases. Two molecular applications are included as illustration: the cerium diatom and the LuF3 molecule. In both cases it is shown that 4f orbitals are not involved in the chemical bond in contrast to an earlier claim for the latter molecule.

MOLCAS/OpenMolcas is an ab initio electronic structure program providing a large set of computational methods from Hartree-Fock and density functional theory to various implementations of multiconfigurational theory. This article provides a comprehensive overview of the main features of the code, specifically reviewing the use of the code in previously reported chemical applications as well as more recent applications including the calculation of magnetic properties from optimized density matrix renormalization group wave functions.

We propose Cholesky decomposition (CD) of the atomic two-electron integral matrix as a robust and general technique for generating auxiliary basis sets for the density fitting approximation. The atomic CD (aCD) auxiliary basis set is calculated on the fly and is not biased toward a particular quantum chemical method. Moreover, the accuracy of the aCD basis set can be controlled with a single parameter.