Infrared spectroscopy via path integral techniques

Sven Karsten

doi:10.18453/rosdok_id00000268

Sven Karsten

Infrared spectroscopy via path integral techniques

Universität Rostock, 2016

https://doi.org/10.18453/rosdok_id00000268

Abstract: Das Verständnis der Dynamik komplexer molekularer Systeme ist eine der wichtigsten und herausforderndsten Fragestellungen in der Physik. Die theoretische Untersuchung von (nicht-)linearen Spektren kann hierbei einen Einblick in die zugrundeliegenden Mechanismen liefern. Diese Arbeit ist der Pfadintegral(PI)-Formulierung der Quantenmechanik gewidmet und deren Anwendbarkeit auf Infrarot-Spektroskopie. Die vielversprechende Eigenschaft dieses Formalismus liegt in der Abwesenheit jeglicher Näherungen. Angefangen mit einer System-Bad-Zerlegung, werden alle nötigen Ausdrücke gründlich hergeleitet um zeitabhängige Erwartungswerte und Gleichgewichts-Zeitkorrelationsfunktionen zu propagieren. Die resultierenden Bewegungsgleichungen werden diskretisiert und in einen Quellcode überführt, der allgemein gehalten wird und als Eingabe nur numerische, sowie System- und Badparameter benötigt. Die implementierte Methode wird mit veröffentlichen Daten verglichen. Weiterhin wird die Anwendbarkeit des diskreten PI-Formalismus auf Elektrontransfer-, sowie Vibrationssysteme, die an eine realistische Umgebung gekoppelt sind, untersucht. Es stellt sich heraus, dass die Methode kein nutzbares Werkzeug zur Simulation der Qunatendynamik letzterer Systeme darstellt, jedoch sehr gut für erstere geeignet ist. Der Grund hierfür wird eindeutig auf die intrinsischen Eigenschaften eines Vibrationssystems zurückgeführt werden und kann nicht unter Verwendung heutiger Rechenfähigkeiten umgangen werden.

Masterarbeit Freier Zugang

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Titel:

Infrared spectroscopy via path integral techniques

Beteiligte Personen:

Sven Karsten[VerfasserIn]
	1190746840
Oliver Kühn[AkademischeR BetreuerIn]
	0000-0002-5132-2961
	141056487
Sergei Ivanov[AkademischeR BetreuerIn]

Beteiligte Körperschaften:

Universität Rostock[Grad-verleihende Institution]
	38329-6
Universität Rostock, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät[Grad-verleihende Institution]
	2147083-2

Zusammenfassung:

Understanding the dynamics of complex molecular systems is one of the most important and challenging issues in physics. The theoretical investigation of the (non-)linear spectra can provide an insight to the underlying mechanisms. This thesis is dedicated to the path integral (PI) formulation of quantum mechanics and its applicability to infra-red spectroscopy. The promising features of that formalism lie in the absence of any approximations. Starting from a system-bath partitioning all necessary expressions are rigorously derived to propagate time-dependent expectation values and equilibrium time-correlation functions within the PI framework. The resulting equations of motion are discretized and translated into a source code that is kept generally and requires as input only the numerical parameters as well as system and bath characteristics. The self-implemented methodology is tested against published literature. Furthermore, the applicability of the discrete PI formalism to simulate the quantum dynamics of electron transfer and vibrational systems coupled to realistic solvents is investigated. It turns out that the methodology is not apropriate for the latter, while it is perfectly suitable for the former. The reason is traced back unambiguously to intrinsic features of the vibrational system itself and cannot be circumvented employing nowadays computational means. [Englisch]

Das Verständnis der Dynamik komplexer molekularer Systeme ist eine der wichtigsten und herausforderndsten Fragestellungen in der Physik. Die theoretische Untersuchung von (nicht-)linearen Spektren kann hierbei einen Einblick in die zugrundeliegenden Mechanismen liefern. Diese Arbeit ist der Pfadintegral(PI)-Formulierung der Quantenmechanik gewidmet und deren Anwendbarkeit auf Infrarot-Spektroskopie. Die vielversprechende Eigenschaft dieses Formalismus liegt in der Abwesenheit jeglicher Näherungen. Angefangen mit einer System-Bad-Zerlegung, werden alle nötigen Ausdrücke gründlich hergeleitet um zeitabhängige Erwartungswerte und Gleichgewichts-Zeitkorrelationsfunktionen zu propagieren. Die resultierenden Bewegungsgleichungen werden diskretisiert und in einen Quellcode überführt, der allgemein gehalten wird und als Eingabe nur numerische, sowie System- und Badparameter benötigt. Die implementierte Methode wird mit veröffentlichen Daten verglichen. Weiterhin wird die Anwendbarkeit des diskreten PI-Formalismus auf Elektrontransfer-, sowie Vibrationssysteme, die an eine realistische Umgebung gekoppelt sind, untersucht. Es stellt sich heraus, dass die Methode kein nutzbares Werkzeug zur Simulation der Qunatendynamik letzterer Systeme darstellt, jedoch sehr gut für erstere geeignet ist. Der Grund hierfür wird eindeutig auf die intrinsischen Eigenschaften eines Vibrationssystems zurückgeführt werden und kann nicht unter Verwendung heutiger Rechenfähigkeiten umgangen werden. [Deutsch]

Dokumenttyp:

Masterarbeit

Einrichtung:

Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät

Sprache:

Englisch

Sachgruppe der DNB:

530 Physik

Veröffentlichung /
Entstehung:

Rostock

Rostock: Universität Rostock

2016