Kombination von Genauigkeit und Effizienz in einer Multireferenz Elektronenstruktur-Methode für angeregte elektronische Zustände mit Anwendungsbereich in Nicht-Adiabatischen Molekulardynamik-Simulationen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Elektronisch angeregte Zustände bilden die Grundlage vieler fundamentaler Naturphänomene wie der Photosynthese und des menschlichen Sehens; außerdem sind sie von zentraler Bedeutung für technologische Anwendungen, darunter photovoltaische Systeme und lichtgetriebene Wasserstoffproduktion. Ein tiefgreifendes Verständnis dieser Prozesse ist daher essentiell, nicht nur, um die Welt um uns herum zu verstehen, sondern auch, um technologische Innovationen voranzutreiben, die zur Bewältigung der drängenden Umweltprobleme unserer Zeit notwendig sind. Dieses Projekt konzentrierte sich darauf, die theoretischen Werkzeuge weiterzuentwickeln, die für die Untersuchung dieser Prozesse auf atomarer Ebene erforderlich sind – etwas, das mit aktuellen experimentellen Techniken nicht erreicht werden kann. Zu diesem Zweck wurde ein neuer quantenmechanischer Ansatz entwickelt, der das Potenzial aufzeigt, bedeutende Limitationen bestehender Methoden zur Beschreibung angeregter Zustände zu überwinden. Der präsentierte Ansatz kann hohe Genauigkeit bei vergleichsweise geringen Rechenkosten erreichen und ist außerdem systematisch verbesserbar, wodurch eine Erhöhung der Genauigkeit durch den gezielten Einsatz von Rechenressourcen ermöglicht wird. Obwohl weitere Verfeinerungen und Tests erforderlich sind, hat diese Arbeit eine solide Grundlage für zukünftige Entwicklungen geschaffen, und verspricht, weitere Fortschritte in diesem Bereich anzuregen. Da Methoden zur Beschreibung angeregter Zustände oft von Grundzustandsberechnungen als Ausgangspunkt abhängen, können Fehler in diesen sogenannten Referenzrechnungen weitergegeben werden und die Genauigkeit nachfolgender Verfahren für angeregte Zustände beeinträchtigen. Um dieses Problem anzugehen, wurden in diesem Projekt mehrere Strategien entwickelt, um Fehler in Grundzustandsberechnungen effektiv zu identifizieren und zu korrigieren. Die präsentierten Strategien sind nicht nur als zuverlässiger erster Schritt zur Berechnung angeregter Zustände von Bedeutung, sondern auch für die Untersuchung von Grundzustandseigenschaften selbst, die vielen wichtigen Phänomenen zugrunde liegen. Beispielsweise wurden die entwickelten Methoden im Rahmen dieses Projektes angewandt, um die translatorischen Eigenzustände von Endofullerenen zu untersuchen – eine faszinierende Klasse von Molekülen mit potenziellen Anwendungen als Qubits in spinbasierten Quantencomputing-Architekturen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Corrected density functional theory and the random phase approximation: Improved accuracy at little extra cost. The Journal of Chemical Physics, 159(17).
Graf, Daniel & Thom, Alex J. W.
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Simple and Efficient Route toward Improved Energetics within the Framework of Density-Corrected Density Functional Theory. Journal of Chemical Theory and Computation, 19(16), 5427-5438.
Graf, Daniel & Thom, Alex J. W.
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Research Data Supporting “Targeting spectroscopic accuracy for dispersion bound systems from ab initio techniques: translational eigenstates of Ne@C70”. Apollo - University of Cambridge Repository.
K. Panchagnula, D. Graf & E. Johnson
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Research Data Supporting “Translational Eigenstates of He@C60 from four-dimensional ab initio Potential Energy Surfaces interpolated using Gaussian Process Regression”. Apollo - University of Cambridge Repository.
K. Panchagnula & D. Graf
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Targeting spectroscopic accuracy for dispersion bound systems from ab initio techniques: Translational eigenstates of Ne@C70. The Journal of Chemical Physics, 161(5).
Panchagnula, K.; Graf, D.; Johnson, E. R. & Thom, A. J. W.
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Translational eigenstates of He@C60 from four-dimensional ab initio potential energy surfaces interpolated using Gaussian process regression. The Journal of Chemical Physics, 160(10).
Panchagnula, K.; Graf, D.; Albertani, F. E. A. & Thom, A. J. W.
