Detailansicht
Excited state simulations in the presence of laser fields using linear vibronic coupling potentials
Moritz Heindl
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Chemie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doktoratsstudium NAWI aus dem Bereich Naturwissenschaften (DissG: Chemie)
Betreuer*in
Leticia González
DOI
10.25365/thesis.71272
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-21529.06385.333076-2
Link zu u:search
(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Die Interaktion von Licht mit Materie bildet die Grundlage fundamentaler Prozesse, die das Leben auf unserem Planeten ermöglicht haben. Zur experimentellen Untersuchung solcher Quantenprozesse wird eine extrem hohe Zeitauflösung benötigt, die nur mit ultrakurzen Laserpulsen erreicht werden kann. Ein ergänzender Zugang liegt in der Simulation dieser mit Quantendynamik in der Vielzahl an elektronischen Zuständen, wobei die vorhin erwähnten Pulse inkludiert werden müssen um eine Vergleichbarkeit zu experimentellen Ergebnissen zu gewährleisten.
Es existieren verschiedene Abstufungen von Quantendynamik, die von formell exakter Evolution der Welleneigenschaften über multi-configurational time-dependent Hartree (MCTDH) bis hin zu Näherungen in der Form einer Mischung aus Quanten- und klassischer Dynamik. In dieser wird der Großteil der Quanteneigenschaften der Atomkerne vernachlässigt, um die entsprechenden Rechnungen zu vereinfachen. Eine der bekanntesten dieser Methoden ist fewest-switches surface hopping (SH) mit welcher Systeme mit mehreren hundert Atomen simuliert werden können. Da SH nicht direkt von exakter Quantendynamik abgeleitet werden kann, gibt es kein klares Bild darüber wie manche der Unzulänglichkeiten dieser Methode überwunden werden können, weswegen eine Vielzahl an unterschiedlichen Modifikationen mit wechselnder Genauigkeit existieren.
Wenn explizite Laserpulse in der Simulation inkludiert werden um entweder experimentelle Gegebenheiten widerzuspiegelen oder aber die Dynamik in angeregten Zuständen zu verändern, werden die Ungewissheiten in Bezug auf die vielen unterschiedlichen Modifikationen und deren Auswirkungen auf die Genauigkeit potenziert.
In dieser Arbeit wird die Anwendbarkeit von SH in der Anwesenheit von Laserpulsen auf die Probe gestellt indem unterschiedliche Modifikationen von SH mit unterschiedlichen Pulslängen mit Referenz-MCTDH Rechnungen verglichen werden. Diese Vergleiche werden durch die Verwendung von linear vibronic coupling (LVC) Potenzialen für beide Simulationsmethoden ermöglicht. Ein drei-dimensionales Modell für SO$_2$ und ein zehn-dimensionales Modell für 2-Thiocytosin werden dafür zu Rate gezogen.
Damit werden weitaus größere Systeme verwendet als die sonst üblichen ein-dimensionalen Systeme, die für solche Vergleiche zu Rate gezogen werden.
Die Reduktion des eigentlich 33-dimensionalen 2-Thiocytosins zu einem zehn-modigen System wurde durch ein vorher konzipiertes automatisches Auswahlverfahren realisiert.
In beiden Testsystemen wurde eine qualitative Übereinstimmung für die Interaktion mit den Laserpulsen beobachtet, wobei längere Laserpulse zu größeren Abweichungen geführt haben, insbesondere für kleine Systeme. In Bezug auf die getesteten Modifikationen wurde kein optimales Set an Modifikationen gefunden.
Die Stärke von SH in Kombination mit LVC Potenzialen wird anhand der detailierten Untersuchung eines Ruthenium Photosensibilisators, der eine Disulfidbrücke an einem der Liganden besitzt ([Ru({S-S}bpy)(bpy)$_2$]$^{2+}$), aufgezeigt, wobei 161-dimensionale Oberflächen für alle 78 verwendeten elektronischen Zustände verwendet werden.
Eine genaue Beobachtung der Änderungen des elektronischen Charakters entlang der Simulation zeigt, dass die S-S Bindung verlängert wird sobald das angeregte Elektron am entsprechenden Liganden lokalisiert ist.
Im Zuge dessen, kommt es auch zu einer Stabilisierung von niedrig-energetischen Triplett Zuständen.
Schlussendlich wird eine Pulssequenz entworfen, die diese S--S Bindungsverlängerung und die dazugehörigen Stabilisierungen in der Energie unterbindet und die angeregte Population in einem endlosen Kreislauf gefangen hält solange die Pulssequenz anhält.
Zusätzlich wurde in dieser Arbeit die voll-dimensionale Simulation der Dynamik der angeregten Zustände von Pyrrol nach Anregung eines pi zu pi^* Zustandes unternommen.
Der Hauptrelaxationsweg in diesem Molekül ist N-H Bindungsbruch der in einer Zeitskala von 64fs beobachtet wird. Das Mischen von Rydberg- und Valenzorbitalen wurde als das entscheidende Kriterium für die sonderbare Form der Potentialenergieoberfläche entlang der dissoziativen Koordinate identifiziert.
Abstract
(Englisch)
At the very core of fundamental processes that shape life on our planet, lies the interplay of light with matter. For an experimental investigation of such inherently quantum interactions an extremely high time resolution is needed, necessitating the use of ultrashort laser pulses. A complementary route is the direct simulation of the quantum dynamics in the manifold of electronic states, necessitating inclusion of the laser pulses for compatibility to experimental results.
Different layers of approximation exist for quantum simulations, ranging from exact propagation and multi-configurational time-dependent Hartree (MCTDH) to approximations in the form of a mixed quantum-classical description, where the lion's share of the quantum nature of nuclei is forfeited, increasing computational speed. A popular of these mixed quantum-classical methods is fewest-switches surface hopping (SH), allowing for the efficient simulation of dynamics for molecules on the complete manifold of nuclear degrees of freedom. Since SH can not directly be linked to exact propagations, no unique way to overcome some of the deficiencies innate to SH is available, resulting in many different SH protocols of varying accuracy. If explicit laser fields are included in the simulations to mimic experimental setups or to modify the excited state dynamics, this uncertainty in accuracy is amplified due to additional interference terms that may arise.
In this work, the validity of SH in the presence of laser fields is put to the test by comparing different SH protocols and pulse lengths to reference MCTDH calculations. Such a comparison is enabled by the use of linear vibronic coupling (LVC) potentials for both types of simulations.
A three-dimensional model of SO$_2$ and a ten-dimensional model of 2-thiocytosine are employed, providing systems that go far beyond the one-dimensional systems previously often used to validate SH. The reduction of the 33-dimensional 2-thiocytosine to only ten dimensions has been achieved by a previously devised automatic selection procedure. In both test systems, a qualitative description of the interaction with the laser field was achieved, with longer interaction times resulting in larger deviations from MCTDH results, especially for small systems. As for the SH protocols, no unique set of best performing protocols has been found.
The strength of SH paired with LVC potentials is demonstrated in the detailed investigation of a ruthenium photosensitizer equipped with a disulfide bridge at one of the ligands ([Ru({S-S}bpy)(bpy)$_2$]$^{2+}$) employing 161-dimensional surfaces for all 78 considered electronic states. The fluctuations of electronic character throughout the simulation time show that S-S bond elongation occurs after the excited electron is located at the sulfurated ligand, resulting in a stabilization of low-energy triplet states. Finally, a pulse sequence is designed, capable of counteracting the S-S bond elongation and the accompanying energy lowering of the lowest energy triplet states, trapping the population for the duration of the pulse sequence.
In addition, this thesis features the on-the-fly and full-dimensional simulation of the excited state dynamics of pyrrole after excitation into a pi to pi* state. The main deactivation channel is N-H bond dissociation, observed with a time scale of 64 fs. The valence-Rydberg mixing in pyrrole is found to be at the heart of the peculiar shape of the potential energy surface along the dissociative coordinate.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Simulation Quantendynamik Laser
Schlagwörter
(Englisch)
Simulations Quantum Dynamics Laser
Autor*innen
Moritz Heindl
Haupttitel (Englisch)
Excited state simulations in the presence of laser fields using linear vibronic coupling potentials
Paralleltitel (Deutsch)
Simulation der Dynamik angeregter Zustände unter Einfluss von Laserfeldern unter Verwendung eines linearen, vibronischen Kopplungsmodells
Publikationsjahr
2022
Umfangsangabe
vi, 184 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Leticia González
AC Nummer
AC16552297
Utheses ID
62020
Studienkennzahl
UA | 796 | 605 | 419 |