Luận án tiến sĩ quantum photochemistry direct calculation of diabatic states and semiclassical dynamics

Luận án tiến sĩ về hóa học lượng tử, tính toán trực tiếp các trạng thái diabatic và động lực học bán cổ điển, khám phá các ứng dụng tiềm năng.

Trường đại học

University of Minnesota

Chuyên ngành

Quang Hóa Học Lượng Tử

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

thesis

2006

281
3
0

Phí lưu trữ

55 Point

Tóm tắt

I. Tính Toán Trạng Thái Diabatic

Trong nghiên cứu quang hóa học lượng tử, tính toán trạng thái diabatic là một phần quan trọng để hiểu rõ các quá trình phi tuyến tính trong các phản ứng hóa học. Các trạng thái diabatic được định nghĩa là các trạng thái năng lượng mà không bị ảnh hưởng bởi sự tương tác giữa các trạng thái điện tử khác nhau. Việc tính toán các trạng thái này cho phép mô hình hóa chính xác hơn các quá trình chuyển đổi năng lượng trong các phản ứng hóa học. Một trong những phương pháp chính để thực hiện tính toán trạng thái diabatic là sử dụng các phương pháp điện tử đa tham số, cho phép xác định các bề mặt năng lượng tiềm năng diabatic. Điều này rất quan trọng trong việc phân tích các quá trình chuyển đổi trạng thái trong các hệ thống hóa học phức tạp.

1.1. Phương Pháp Tính Toán

Phương pháp tính toán cho các trạng thái diabatic thường bao gồm việc sử dụng các mô hình điện tử phức tạp như phương pháp đa tham số. Các phương pháp này cho phép tính toán chính xác các bề mặt năng lượng tiềm năng diabatic, từ đó giúp hiểu rõ hơn về các quá trình chuyển đổi trạng thái. Việc áp dụng các phương pháp này trong nghiên cứu quang hóa học lượng tử đã cho thấy sự cải thiện đáng kể trong việc dự đoán các đặc tính quang học của các phân tử. Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng việc sử dụng các mô hình này có thể dẫn đến những hiểu biết mới về quang hóa học lượng tử và các ứng dụng thực tiễn trong lĩnh vực này.

II. Quá Trình Chuyển Đổi Trạng Thái

Quá trình chuyển đổi trạng thái trong các hệ thống hóa học thường liên quan đến sự tương tác giữa các trạng thái điện tử khác nhau. Quá trình chuyển đổi trạng thái này có thể được mô tả bằng các bề mặt năng lượng tiềm năng diabatic, cho phép phân tích các quá trình phi tuyến tính trong phản ứng hóa học. Sự chuyển đổi này thường xảy ra trong các điều kiện mà hóa học lượng tử không thể được mô tả bằng các phương pháp cổ điển. Việc hiểu rõ về quá trình chuyển đổi trạng thái không chỉ giúp cải thiện khả năng dự đoán các phản ứng hóa học mà còn mở ra những hướng nghiên cứu mới trong lĩnh vực quang hóa học.

2.1. Mô Hình Diabatic

Mô hình diabatic là một công cụ quan trọng trong việc mô tả các quá trình chuyển đổi trạng thái. Mô hình này cho phép phân tích các trạng thái năng lượng mà không bị ảnh hưởng bởi sự tương tác giữa các trạng thái điện tử khác nhau. Việc áp dụng mô hình diabatic trong nghiên cứu quang hóa học đã cho thấy sự cải thiện trong việc dự đoán các đặc tính quang học của các phân tử. Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng mô hình này có thể giúp hiểu rõ hơn về các quá trình chuyển đổi trạng thái trong các hệ thống hóa học phức tạp.

III. Ứng Dụng Thực Tiễn

Các nghiên cứu về tính toán trạng thái diabaticquá trình chuyển đổi trạng thái có nhiều ứng dụng thực tiễn trong lĩnh vực quang hóa học. Những hiểu biết từ các nghiên cứu này có thể được áp dụng trong việc phát triển các công nghệ mới, chẳng hạn như trong lĩnh vực năng lượng tái tạo và phát triển vật liệu mới. Việc hiểu rõ về các quá trình này cũng có thể giúp cải thiện hiệu suất của các phản ứng hóa học trong công nghiệp. Các ứng dụng này không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn góp phần vào sự phát triển bền vững của xã hội.

3.1. Công Nghệ Năng Lượng

Nghiên cứu về quang hóa học lượng tửtính toán trạng thái diabatic có thể dẫn đến những cải tiến trong công nghệ năng lượng. Việc hiểu rõ các quá trình chuyển đổi trạng thái có thể giúp tối ưu hóa các phản ứng hóa học trong các hệ thống năng lượng, từ đó nâng cao hiệu suất và giảm thiểu tác động môi trường. Các ứng dụng này có thể bao gồm việc phát triển các tế bào năng lượng mặt trời hiệu quả hơn hoặc các hệ thống lưu trữ năng lượng tiên tiến.

09/02/2025

Trích đoạn nội dung tài liệu

QUANTUM PHOTOCHEMISTRY: DIRECT CALCULATION OF DIABATIC STATES AND SEMICLASSICAL DYNAMICS A THESIS SUBMITTED TO THE FACULTY OF THE GRADUATE SCHOOL OF THE UNIVERSITY OF MINNESOTA BY SHIKHA NANGIA IN PARTIAL FULFILLMENT OF THE REQUIREMENTS FOR THE DEGREE OF DOCTOR OF PHILOSOPHY DONALD G. TRUHLAR APRIL 2006 UMI Number: 3212073 INFORMATION TO USERS The quality of this reproduction is dependent upon the quality of the copy submitted. Broken or indistinct print, colored or poor quality illustrations and photographs, print bleed-through, substandard margins, and improper alignment can adversely affect reproduction. In the unlikely event that the author did not send a complete manuscript and there are missing pages, these will be noted.

Also, if unauthorized copyright material had to be removed, a note will indicate the deletion. ® UMI UMI Microform 3212073 Copyright 2006 by ProQuest Information and Learning Company. All rights reserved. This microform edition is protected against unauthorized copying under Title 17, United States Code.

ProQuest Information and Learning Company 300 North Zeeb Road P. Box 1346 Ann Arbor, MI 48106-1346 UNIVERSITY OF MINNESOTA This is to certify that Ihave examined this copy a doctoral thesis by SHIKHA NANGIA and have found that it is complete and satisfactory in all respects, and that any and all revisions required by the final examining committee have been made. Truhlar Name of the Faculty Adviser 7 Signature of Faculty Adviser /⁄22⁄.£ as R006 Date GRADUATE SCHOOL Acknowledgments I, first and foremost, thank my adviser Don Truhlar for providing me with the excellent opportunity to work in his research group and learn from his immense knowledge in this field. I have always admired Don for his intellect, enthusiasm in science, determination, and dedication to his work.

I also thank my husband Arindam Chakraborty, who along with working on his doctoral work, always made sure to make himself available for long thoughtful discussions at times when I needed his opinion. I would like to express my gratitude to the members of my research group Amos Anderson, Adam Chamberlin, Arindam Chakraborty, Erin Dahlke, Ben Ellingson, Ahren Jasper, Hai Lin, Ben Lynch, Vanessa A. Lynch, Hisao Nakamura, Jingzhi Pu, Dan Theis, Jason Thompson, Oksana Tischenko, Chaoyuan Zhu, and Yuan Zhang. I thank would like to my parents J.

Nangia, and my sister Shivangi for their love, effort, support, and encouragement in fulfilling my academic milestones. Finally, I would like to thank my two month old daughter Somya for being immensely cooperative in helping me finish the thesis write-up and cheering me up with her beautiful smile. ii Abstract This thesis presents progress in six areas of quantum photochemistry: (1) a new algorithm for carrying out efficient semiclassical dynamical calculations using a trajectory surface hopping method for systems with weakly coupled electronic states, (ii) an improved treatment of electronic coherence and decoherence in electronically nonadiabatic molecular collisions, (iii) calculations of coupled diabatic potential energy surfaces by a multi-reference electronic structure method, (iv) comparison of adiabatic ground-state and excited-state adiabatic surfaces calculated by multi-reference electronic structure methods to those calculated by a single-reference method-of-moments and coupled cluster method, (v) fitting coupled diabatic potential energy surfaces for ammonia, and (vi) photodissociation dynamics for van der Waals complexes of Li---FH and Na---FH. Chapter 1 introduces the topic of semiclassical dynamics for electronically nonadiabatic processes and provides an overview of the calculation and fitting of coupled diabatic surfaces.

Chapter 2 describes, a new algorithm called the army ants algorithm for trajectory surface hopping. Chapter 3 presents an algorithm called coherent switching with decay of mixing, which is an improved treatment of electronic coherence in non- Born—Oppenheimer trajectories. Chapter 4 provides a comparison of the completely renormalized equation-of-motion coupled-cluster method with multi-reference quasi degenerate perturbation theory near a conical intersection and along a photodissociation coordinate in ammonia. Chapter 5 presents the calculation and fitting of diabatic potential energy surface of ammonia along with the mapping of a four-dimensional conical intersection seam.

Chapter 6 presents a study of the photodissociation dynamics of Li---FH and Na---FH van der Waals complexes. 11 TABLE OF CONTENTS Acknowledgme€rifS. - cà HH TH T0 T1 7g 1 ADSUtract 0h. Sàn ng gi nh nh nh như 1 1.

-ó- - 5 HH TH HH TH KH ne 1 1. Adiabatic representation of a molecular sysfem. The Born-Oppenheimer apprOXImAtiOT. - 5 ng HH ng tư6 1.- cọ TH TH TH THTT7 1.

Trajectory surface hoppITE. --- 5 4 HH TT TH HH HH8 1. Tully’s fewest-switches method. - Ác HH HH HH HH ng ngu ưa 10 Hư V0.

Coupled potential energy SUTÍAC©S.-- - HH HH Hưng Hà 15 1. Is it necessary to use multi-reference methods?. Calculation and fitting of diabatic states of AMMONIA. ARMY ANTS ALGORITHM FOR RARE EVENT SAMPLING OF DELOCALIZED NONADIABATIC TRANSITIONS BY TRAJECTORY SURFACE HOPPING AND THE ESTIMATION OF SAMPLING ERRORS BY THE BOOTSTRAP METHOD.

Sampling algorithms for TSHH.- 0Á HH HH HH HH ki29 2.- ---- ‹ cọ nọ ng 30 2. - --- cọ Hi nọ TY 31 2. Generalization to more than two electronic stafes. Army ants aÏgOTItHm.

-- -- cọ HH HH HH TH HH 1010130 33 2. The YRH model system. -- - LH HT nu nu TH HH 40 2. Final state anaÌÏS1S.- «St TT Họ TT ti1 tà41 2.

Bootstrap resampling: Method of error anaÏyS1S. Calculations and r€SUÏ(S. HH HH HH Họ k0 614 050 48 2. ác HH HT TH TH Tà HH HH nh CĐ T013 0 50 2.

- -‹ HH TH TH TH HH nh 51 Âu10. ccscescssesseseecesecececeesestsseceeesceeeeeseesceaceessesssesacsscseesssesesessseeaesseeseessesseveneess 56 Tables TT —. COHERENT SWITCHING WITH DECAY OF MIXING: AN IMPROVED TREATMENT OF ELECTRONIC COHERENCE FOR NON-BORN-OPPENHEIMER TRAJECTORTES. - QC ngu HH ni gu ngư 71 3.- nọ ng nọ nọ E418 605080 8.

Fundamental time-dependent equations .-- - Án HH ng như, 77 3. ECP-TSH method na. Self-consistent potential methodS. -- -- 5< HH HH ng nh Hiệp 82 3.

HH Hà HT HT Họ Hà Tà nh 84 3.- -- cà HH HH TH TH TH nh th 89 3. Decay-of-mixing time. sóc HT TH TH ng HH kh 90 3. Three-dimensional test cases and methodology.

Results and ISCUSSIOTI. SH TH HT TH TH TT HH 95 3. -- ch gọn gu nọ TT Hàn ng ng, 101 3.- ch TH TH TH TH HH Hà TH TH nh cư 104 [. 0 HH HH go TH HT TT H0 107 Tables ose.

CAN A SINGLE-REFERENCE APPROACH PROVIDE A BALANCED DESCRIPTION OF GROUND AND EXCITED STATES? A COMPARISON OF THE COMPLETELY RENORMALIZED EQUATION-OF- MOTION COUPLED-CLUSTER METHOD WITH MULTI- REFERENCE QUASI DEGENERATE PERTURBATION THEORY NEAR A CONICAL INTERSECTION AND vi ALONG A PHOTODISSOCIATION COORDINATE IN 90/00). - cọ HH HH TT Tu hi ngàn 117 PM.- Ác HH HH Hà TH Tà HH ngư 119 4. Calculations and r€SuÏ{S. Discussion and concluding rermaTÏkS.

ác ng ng gi th 123 4. HH HH gu HH TH TH HH ĐH 125 ;s{oc ¿cv E. DIRECT CALCULATION OF COUPLED DIABATIC POTENTIAL ENERGY SURFACES FOR AMMONIA AND MAPPING OF A FOUR-DIMENSIONAL CONICAL INTERSECTION SEAM. Ă Ác nh HH TH TH TH TT TH TH HH te 134 5.

Ab-initio electronic structure calculations. Summary of diabatization procedure and theOry. Computational proC€dUFC. --- - «HH HH HH HT ri 141 5.

Fit to the diabatic potential energy Surfaces. Go HH ngờ 145 5.2, II SUTÍAC€. LG Q TH HH KH 149 5. HH HH TT HH TH TH Hà ngành 151 l9 9o.

HH HH HT HH TT TT TT TH TH Hà re 161 Tables oo. PHOTOCHEMISTRY OF LIFH AND NAFH VAN DER WAALS COMPLEXES .---- -s ktcsh HYTHYTHT Tg H TT T g g TH T H H g gà HànH 195 6. Analytic potential energy SUTÍäC€S.- - Ác n9 HH HH ng ng 197 6. Photoabsorption spectrum of LIFHH.

--- Ác HH ng HH re200 6. Electronic transition dipole moment functions. Vibrational energies and wave funCtiOTS. Semiclassical trajectory calculations.

Results and diSCUSSIOT.- Gà HH HT HT TH Hà HH Hà Hà nhe 211 6. Photoabsorption spectra for LIFTH. - sa sec ssssvseseesre 211 6. Semiclassical trajectory photodissociation calculations.

--- -‹ s49 HH HH TH TH TH HH TH nh 222 Appendix A. HT HH HT gi TT HT. Ti TH TT TH he 224 Tables. General remarks The application of quantum mechanics to a molecular system usually starts with the Born—Oppenheimer approximation.

It leads to a great amount of simplification and is valid in most cases, so it is critical to many applications, but sometimes it breaks down. This thesis is concerned with those cases, namely the cases where the Born—Oppenheimer approximation is not valid. The key idea of the Born—Oppenheimer approximation is the separation of the motion of the electrons in a molecule or molecular collision from the motion of the nuclei.! The electrons are much lighter than the nuclei, and due to this mass difference the electrons may be treated for many purposes as if they are moving infinitely rapidly as compared to the nuclei. The consequence of this approximation is that the electronic wave function can be calculated for any specific nuclear geometry R as if the nuclei were Static, and the resulting electronic energy serves as an effective potential energy for the nuclear motion.

Since R acts as a parameter, electronic energies can be calculated for each specific nuclear geometry, and by doing this for various different R values the entire potential energy surface can be mapped out. Another way to represent the nuclear degrees of freedom is to describe them as "adiabatic" parameters,’ since they change slowly as compared to the electronic coordinates. The Born—Oppenheimer approximation states that by using such nuclear adiabatic parameters, collected in the nuclear coordinate vector R, the system can be well characterized using a single electronic energy state, defined at each fixed value of the nuclear parameter, with no contribution from the other electronic States. 2 Because of the small mass of the electrons the spacing between electronic states is usually very large compared to nuclear kinetic energies, leading to a rapid time scale for electronic motion.

In certain regions, the electronic spacing is slower, and the adiabatic parameter R changes quickly compared to the locally slow electronic time scale (which is specified below), and the electronic variables cannot fully follow the changes in the nuclear coordinates. Then the Born-Oppenheimer approximation breaks down. In such cases, the nuclear motion is no longer restricted to a single electronic state, but is influenced as well by the other electronic states. This is what is meant by electronically nonadiabatic systems, also called vibronically coupled systems.

Such systems can be described in terms of coupled potential energy surfaces. In order to understand the problem of coupled surfaces, it is important to specify more quantitatively what we mean by fast nuclear motion coupling the electronic states. The analysis of Born and Oppenheimer’ shows that the electronically adiabatic approximation becomes reliable when the nuclear kinetic energy is comparable to (or larger than) the spacing between the electronic states. As mentioned above, this often happens not because the nuclear kinetic energy gets large but because the electronic spacing is sometimes small (for example it may even be zero because two states become degenerate by symmetry or accidentally).

Electronically nonadiabatic systems can be classified as strongly or weakly coupled depending on the magnitude of coupling between the electronic states. An example of a strongly coupled system is the three-body Na + H; system,“Š and an example of a weakly coupled system is Br + Hạ, the details which are provided elsewhere.** Many photochemical processes,”'? molecular collisions, and chemical reactions involve electronically coupled systems. There has also been a great amount of experimental work, in which the dynamics of excited-state reactions have been studied.'''? Some of the reactions of direct relevance to the present proposed work are the decay process of the photochemically excited transition states of Li.FH and Na.FH van der Waals complexes.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Bài viết "Tính Toán Trực Tiếp Các Trạng Thái Diabatic Trong Quang Hóa Học Lượng Tử" cung cấp cái nhìn sâu sắc về phương pháp tính toán các trạng thái diabatic trong lĩnh vực quang hóa học lượng tử. Tác giả trình bày các kỹ thuật và công cụ cần thiết để thực hiện các phép tính này, giúp người đọc hiểu rõ hơn về sự tương tác giữa ánh sáng và vật chất ở cấp độ lượng tử. Bài viết không chỉ mang lại kiến thức lý thuyết mà còn hướng dẫn thực hành, từ đó giúp các nhà nghiên cứu và sinh viên có thể áp dụng vào các nghiên cứu của riêng mình.

Nếu bạn muốn mở rộng thêm kiến thức về hóa học lượng tử, hãy tham khảo bài viết "Luận án tiến sĩ tính toán cân bằng lỏng hơi của ar n2 cl2 co bằng phương pháp hóa lượng tử và mô phỏng toàn cục monte carlo", nơi bạn sẽ tìm thấy những ứng dụng thực tiễn của hóa học lượng tử trong tính toán cân bằng pha. Ngoài ra, bài viết "Luận văn thạc sĩ hóa lý thuyết và hóa lý a quantum chemical research of structure and aromaticity of some boron clusters" sẽ giúp bạn khám phá thêm về cấu trúc và tính chất của các cụm boron, một chủ đề liên quan mật thiết đến quang hóa học. Cuối cùng, bài viết "Luận án tiến sĩ vật lý nghiên cứu hiệu ứng tăng cường huỳnh quang và tán xạ raman nhờ cấu trúc nano ag au" sẽ cung cấp cho bạn cái nhìn sâu sắc về các hiệu ứng quang học trong cấu trúc nano, mở rộng thêm kiến thức về ứng dụng của hóa học lượng tử trong công nghệ hiện đại.