Berechnung von resonanter inelastischer Röntgenstreuung in der kondensierten Phase für das gesamte Periodensystem
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Moderne Industriegesellschaften sind in vielen Bereichen auf die Verwendung schwerer chemischer Elemente angewiesen, u.a. in der Katalyse (Übergangsmetalle), zur Erzeugung erneuerbarer Energien (Lanthanide) oder bei der Nutzung der Kernenergie (Aktinide). Um die derzeitigen Materialien zu verstehen und um neue zu entwickeln, ist es nötig, ihr Verhalten (insb. ihrer Elektronen) auf molekularer Ebene zu verstehen. Dies lässt sich experimentell durch die Untersuchung ihrer Wechselwirkung mit Licht (Spektroskopie) erreichen. Spektroskopische Methoden, bei denen die den Kernen am nächsten liegenden Elektronen (Rumpfelektronen) mit Röntgenstrahlen angeregt werden, liefern sehr spezifische Informationen über die chemische Umgebung eines bestimmten Atoms. Derartige Experimente sind jedoch ohne zuverlässige theoretische Modelle sehr schwer zu interpretieren. Das Ziel des CompRIXS-Projekts war die Entwicklung theoretischer Methoden, um die resonante inelastische Röntgenstreuung (RIXS) mit der gleichen Genauigkeit für alle Elemente des Periodensystems zu simulieren. Dies unterscheidet es von den meisten anderen Ansätzen, die physikalische Prozesse von grundlegender Bedeutung für schwere Elemente (relativistische Effekte) nicht berücksichtigen. Das Projekt beinhaltete die Entwicklung sogenannter Elektronenstrukturmethoden, durch die die zeit(un)abhängige Schrödinger- bzw. Dirac-Gleichung für die Elektronen gelöst werden können. Wir haben dabei mit drei Familien von Methoden gearbeitet: Methoden, die auf der Dichtefunktionaltheorie (DFT) basieren, die rechnerisch sehr effizient, aber nur mäßig genau sind; die auf der relativistischen Coupled-Cluster-Theorie (RCC) basierenden Methoden, die sehr genau, aber sehr rechenintensiv sind; und quantenchemische Einbettungsansätze (QE), bei denen RCC und DFT kombiniert werden, so dass der RCC-Ansatz eine sehr genaue Beschreibung für den wichtigsten Teil des Systems - den lichtabsorbierenden Teil - liefert, während der Rest des Systems mit DFT beschrieben wird. Damit erlaubt der QE-Ansatz eine rechnerisch kostengünstige, vollständige quantenmechanische Behandlung sehr komplexer Systeme. Diese ermöglicht es wiederum, realistischere Modelle komplexer chemischer Systeme zu betrachten. CompRIXS hat (a) genäherte DFT-basierte Methoden zur Berechnung von RIXS-Karten mit (nicht-)relativistischen Hamilton-Operatoren entwickelt; (b) QE-Real-Time-TDDFT-Methoden, die die Kopplung der Reaktion aktiver Teilsysteme mit ihrer Umgebung beschreiben können; und (c) relativistische CC-Response-Theorie-Methoden, mit denen Ein- und Zweiphotonenprozesse beschrieben werden können. Diese werden jetzt zur Simulation von XAS und RIXS u.a. von Aktinidkomplexen verwendet. Außerdem wurde die Computerimplementierung der in CompRIXS entwickelten Methoden als Open-Source-Software zur Verfügung gestellt und in weit verbreitete Open-Source-Software wie DIRAC und PyADF integriert.
Link zum Abschlussbericht
https://doi.org/10.24355/dbbs.084-202503191103-0
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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De Santis, Matteo; Belpassi, Leonardo; Jacob, Christoph R.; Severo, Pereira Gomes André; Tarantelli, Francesco; Visscher, Lucas & Storchi, Loriano
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Relativistic EOM-CCSD for Core-Excited and Core-Ionized State Energies Based on the Four-Component Dirac–Coulomb(−Gaunt) Hamiltonian. Journal of Chemical Theory and Computation, 17(6), 3583-3598.
Halbert, Loïc; Vidal, Marta L.; Shee, Avijit; Coriani, Sonia & Severo, Pereira Gomes André
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Environment Effects on X-Ray Absorption Spectra With Quantum Embedded Real-Time Time-Dependent Density Functional Theory Approaches. Frontiers in Chemistry, 10.
De Santis, Matteo; Vallet, Valérie & Gomes, André Severo Pereira
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Oher, Hanna; Gomes, André Severo Pereira; Wilson, Richard E.; Schnaars, David D. & Vallet, Valérie
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W. A. MISAEL
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W. A. MISAEL, A. A. HOESKE, M. DE SANTIS, F. REAL, V. VALLET, A. S. P. GOMES & CH. R. JACOB
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L. VISSCHER, H. J. AA. JENSEN, R. BAST, A. S. P. GOMES, T. SAUE et al.
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Formulation and Implementation of Frequency-Dependent Linear Response Properties with Relativistic Coupled Cluster Theory for GPU-Accelerated Computer Architectures. Journal of Chemical Theory and Computation, 20(2), 677-694.
Yuan, Xiang; Halbert, Loïc; Pototschnig, Johann Valentin; Papadopoulos, Anastasios; Coriani, Sonia; Visscher, Lucas & Pereira, Gomes André Severo
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Interoperable workflows by exchanging grid-based data between quantum-chemical program packages. The Journal of Chemical Physics, 160(16).
Focke, Kevin; De Santis, Matteo; Wolter, Mario; Martinez, B. Jessica A.; Vallet, Valérie; Pereira, Gomes André Severo; Olejniczak, Małgorzata & Jacob, Christoph R.
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Solvation effects on halides core spectra with Multilevel Real-Time quantum embedding
J. A. MARTINEZ B. M. DE SANTIS, M. PAVANELLO, V. VALLET & A. S. P. GOMES
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Subsystem density‐functional theory (update). WIREs Computational Molecular Science, 14(1).
Jacob, Christoph R. & Neugebauer, Johannes
