Abstract The fate of thymine upon excitation by ultraviolet radiation has been the subject of intense debate. Today, it is widely believed that its ultrafast excited state gas phase decay stems from a radiationless transition from the bright π π * state to a dark n π * state. However, conflicting theoretical predictions have made the experimental data difficult to interpret. Here we simulate the early gas phase ultrafast dynamics in thymine at the highest level of theory to date. This is made possible by performing wavepacket dynamics with a recently developed coupled cluster method. Our simulation confirms an ultrafast π π * to n π * transition ( τ = 41 ± 14 fs). Furthermore, the predicted oxygen-edge X-ray absorption spectra agree quantitatively with experiment. We also predict an as-yet uncharacterized π σ * channel that leads to hydrogen dissociation at one of the two N-H bonds. Similar behavior has been identified in other heteroaromatic compounds, including adenine, and several authors have speculated that a similar pathway may exist in thymine. However, this was never confirmed theoretically or experimentally. This prediction calls for renewed efforts to experimentally identify or exclude the presence of this channel.

Minimum energy conical intersections can be used to rationalize photochemical processes. In this Letter, we examine an algorithm to locate these structures that does not require the evaluation of nonadiabatic coupling vectors, showing that it minimizes the energy on hypersurfaces that envelop the intersection seam. By constraining the states to be separated by a small non-zero energy difference, the algorithm ensures that numerical artifacts and convergence problems of coupled cluster theory at conical intersections are not encountered during the optimization. In this way, we demonstrate for various systems that geometries at minimum energy conical intersections with the ground state are well described by the coupled cluster singles and doubles model, suggesting that coupled cluster theory may, in some cases, provide a good description of relaxation to the ground state in nonadiabatic dynamics simulations.

Coupled cluster theory in the standard formulation is unable to correctly describe conical intersections among states of the same symmetry. This limitation has restricted the practical application of an otherwise highly accurate electronic structure model, particularly in nonadiabatic dynamics. Recently, the intersection problem among the excited states was fully characterized and resolved. However, intersections with the ground state remain an open challenge, and addressing this problem is our objective here. We present a generalized coupled cluster framework that correctly accounts for the geometric phase effect and avoids bifurcations of the solutions to the ground state equations. Several applications are presented that demonstrate the correct description of ground state conical intersections. We also propose how the framework can be used for other electronic-structure methods.