Rozwój metod obliczeniowych wykorzystywanych w obliczeniach atomowych

zespół badawczy nr 1

prof. dr hab. Józef E. Sienkiewicz, prof. zw. PG
dr inż. Paweł Syty   

 

Międzynarodowa grupa badawcza (od lewej): dr hab. J.Bieroń (Uniwersytet Jagielloński), dr Laima Radziute i prof. G. Gaigalas (Uniwersytet Wileński), prof. dr hab. J.E. Sienkiewicz i dr inż. P. Syty (Politechnika Gdańska)

 

Grupa zajmuje się rozwojem i zastosowaniem wybranych metod obliczeniowych (relatywistyczna metoda Diraca Focka – MCDF, metoda J-macierzy) w następujących dziedzinach, związanych z obliczeniami atomowymi:

  1. Obliczenia relatywistycznych struktur atomowych. Do wykonywania obliczeń metodą MCDF używany jest program GRASP2K (General Relativistic Atomic Structure Program) autorów P. Jönssona, X. He, C. Froese Fischer, I.P.Granta, G. Gaigalasa oraz J. Bieronia oraz programy należące do pakietu RATIP, autorstwa głównie S. Fritzsche. Programy te są stale - również przez naszą grupę - rozwijane i ulepszane.
  2. Obliczenia właściwości rozpraszania elektronów na atomach. Grupa rozwija zastosowanie metod MCDF oraz J-macierzy do rozpraszania na atomach poprzez doskonalenie i rozwój programów numerycznych, jak również wykonywanie szeregu obliczeń różniczkowych przekrojów czynnych i polaryzacji spinowej elektronów, rozpraszanych sprężyście na atomach.
  3. Obliczenia wkładu elektronów z widma ciągłego do elektrycznych momentów dipolowych atomów. Elektryczne momenty dipolowe atomów (EDM) można rozumieć jako nieregularności w rozkładzie ładunku elektrycznego. Celem badań jest oszacowanie wkładu pochodzącego od niezwiązanych elektronów na wartość EDM dla wybranych atomów diamagnetycznych, metodą MCDF.

Funkcja falowa swobodnego elektronu w polu atomu Ksenonu dla kilku aktywnych przestrzeni

 

 

Symulacje propagacji pola elektromagnetycznego w układach plazmonicznych w skali nano

zespół badawczy nr 2

prof. dr hab. Józef E. Sienkiewicz, prof. zw. PG
dr inż. Paweł Syty   
 

Grupa zajmuje się modelowaniem wybranych układów plazmonicznych w skali nano, w szczególności  matryc nanocząstek złota i srebra oraz metamateriałów. Przeprowadzane są symulacje propagacji pola elektromagnetycznego przez te układy metodami FDTD (różnic skończonych w dziedzinie czasu) i FEDT (elementów skończonych w dziedzinie czasu), których wynikiem jest przestrzenny i czasowy rozkład składowych pola, a także wybrane właściwości w dziedzinie częstotliwości.

Przykładowy przestrzenny rozkład wybranej składowej pola elektromagnetycznego na próbce

 

 

Theoretical investigation of the photophysics of light-harvesting molecular systems and supramolecular photocatalysts for hydrogen generation

zespół badawczy nr 3

dr hab. Julien Guthmuller
mgr inż. Miłosz Martynow
mgr inż. Magdalena Staniszewska

In the last decades, several propositions have been made by the scientists to find a solution to the global energy crisis, searching for sources of energy that are renewable, clean and cheap. In this respect, a promising source of energy is sunlight. In nature, plants have the unique ability to convert sunlight into chemical energy by means of photosynthesis. By mimicking the principles of natural photosynthesis, two basic possibilities can be followed: i) the conversion of solar energy by light-harvesting devices into electric energy, this is usually realized using so-called dye-sensitized solar cells, and ii) the generation of high-energy compounds such as molecular hydrogen by means of artificial photosynthesis, this is widely considered based on so-called supramolecular photocatalysts. The latter are large molecules consisting of a photoactive center that absorbs light and a catalytic center, where hydrogen is generated. The photoactive and catalytic centers are interlinked by an electron relay that stores electrons and allows electron transfer between both units (see figure).

In the group of dr hab. Julien Guthmuller, the fundamental photophysical and photochemical properties and processes in light-harvesting molecular systems are investigated by means of computational and theoretical approaches. In particular, the structures, energies and properties of the molecular excited states are predicted using quantum chemistry methods. The electron transfer rates are determined in order to unravel the relaxation pathways leading to charge separation or charge recombination. Additionally, spectroscopic properties, for example absorption, emission and resonance Raman spectra, are simulated to provide interpretation of experimental results.

The knowledge gained by these studies improves the understanding of the fundamental processes related to light-harvesting and electron transfer in such systems, and will help in the design of new photocatalysts and light-harvesting molecules having desired properties. This research is financed by the National Science Centre (NCN).

Example of a supramolecular photocatalyst (S. Rau et al. Angew. Chem. Int. Ed. 45 (2006) 6215)

 

 

Kwantowa teoria informacji

zespół badawczy nr 4

prof. dr hab. Paweł Horodecki, prof. zw. PG
dr inż. Jan Tuziemski      
mgr inż. Michał Kamoń
 

W zakresie kwantowej teorii informacji prowadzone w KFTiIM badania dotyczą (i) kwantowej kryptografii i komunikacji kwantowej (ii) generacji losowości za pomocą źródeł kwantowych (iii) teoretycznych i eksperymentalnych aspektów detekcji korelacji kwantowych ze szczególnym uwzględnieniem optyki kwantowej i kropek kwantowych (iv) podstaw mechaniki kwantowej ze szczególnym uwzględnieniem nierówności Bella i problemu obiektywności na gruncie mechaniki kwantowej. W badaniach stosowane są zarówno standardowe metody mechaniki kwantowej i optyki kwantowej jak i elementy kwantowych wariantów teorii Shannona, elementy algebry liniowej i teorii grafów.  Za najważniejsze wyniki należy uznać wyniki stanowiące podstawę prostej  detekcji kwantowych korelacji między cząstkami (tzw. kwantowego splątania), wykrycie splątania związanego i jego roli w kryptografii kwantowej, identyfikacja korelacji kwantowych poprzez twierdzenie o  zakazie bezbłędnego rozgłaszania, wypracowanie teorii miar splątania, miar kwantowej własności cząstek zwanej kontekstualnością ściśle powiązaną z kwantową zasadą nieoznaczoności Heisenberga.

Warto podkreślić, że uzyskane rezultaty sytuują się w czołówce międzynarodowej ze swojej dziedziny, a odnośne artykuły  były cytowane już  ponad 9 tysięcy razy przez innych autorów. Obecnie prowadzi się m.in. badania w ramach europejskiego projektu ERC Ideas QOLAPS koordynowanego przez Krajowe Centrum Informatyki Kwantowej (KCIK) przy Uniwersytecie Gdańskim. Prof. dr hab. Paweł Horodecki jest członkiem Rady Naukowej KCIK.  Jednym z licznych rezultatów owych badań było wypracowanie  metody wzmacniania  kwantowej  losowości w obecności  zagrożenia przez ,,superkwantowego'' (tj. ograniczonego tylko wprowadzoną przez Einsteina zasadą, że nie wolno przekraczać prędkości światła) adwersarza. Ponadto w kontekście badań nad kryptografią uzyskano ostatnio subtelny wynik z podstaw kwantowej interferometrii dotyczący interferometrycznego zachowania się cząstki z wewnętrznym kwantowym stopniem swobody.

 

 

Nieliniowa propagacja ultradźwięków w płynach

zespół badawczy nr 5

dr hab. Anna Perelomova, prof. nadzw. PG

Analiza nieliniowych oddziaływań dźwięku z innymi, niefalowymi typami ruchu płynu. Rozwój aparatu matematycznego, który pozwala opisać efekty wywoływane przez nieokresowy dźwięk, impulsy i paczki falowe. Akustyka płynów nie-Newtonowskich, z relaksacją termodynamiczną różnego rodzaju. Samo-refrakcja i termiczne samo-oddziaływanie wiązek nieakustycznych w płynach Newtonowskich i płynach z dyspersją.

 

 

Teoretyczne badanie struktur rotacyjno-oscylacyjno-elektronowych cząsteczek dwu- i trójatomowych. Badanie dynamiki procesów fotodysocjacji i fotoasocjacji.

zespół badawczy nr 6

prof. dr hab. Józef E. Sienkiewicz, prof. zw. PG
dr hab. Joachim Domsta
dr hab. Jan Kozicki, prof. nadzw. PG
dr inż. Patryk Jasik
dr inż. Marcin Wiatr
mgr inż. Tymon Kilich

Proponowany projekt badawczy w naturalny sposób dzieli się na dwie główne części. Pierwsza z nich dotyczy wyznaczania struktur rotacyjno-oscylacyjno-elektronowych wodorków metali alkalicznych i ich jonów oraz homo- i heterojądrowych, dwuatomowych molekuł metali alkalicznych i ich jonów, natomiast druga część projektu związana jest z badaniem dynamiki procesów fotodysocjacji i fotoasocjacji tych cząsteczek. Inspiracja do rozpoczęcia badań dwuatomowych cząsteczek metali alkalicznych i wodorków metali alkalicznych została zaczerpnięta z badań Ahmeda H. Zewaila (nagroda Nobla w dziedzinie chemii, 1999 rok), w których opisał on m.in. dynamikę procesu fotodysocjacji cząsteczki NaI. W jego badaniach pokazane zostało, że w trakcie oscylacji molekuły w stanie wzbudzonym zmienia się charakter wiązania chemicznego utworzonego pomiędzy atomami sodu i jodu z kowalencyjnego na jonowy, co w odpowiednich warunkach znacząco zwiększa prawdopodobieństwo rozpadu cząsteczki. Czas jednej oscylacji cząsteczki NaI w stanie wzbudzonym to ok. 1 ps, zatem aby badać dynamikę reakcji fotodysocjacji w czasie rzeczywistym należy próbkować układ ultrakrótkimi impulsami laserowymi. Pojawienie się laserów opartych na swobodnych elektronach umożliwia obecnie wykorzystanie bardzo krótkich impulsów świetlnych do badania przebiegu reakcji chemicznych w femto- i attosekundowych odcinkach czasowych.

Ze względu na strukturę rotacyjno-oscylacyjno-elektronową atomów wchodzących w skład rozważanych molekuł, zakłada się, że z punktu widzenia femtochemii będą posiadały one równie ciekawe i interesujące właściwości jak cząsteczka NaI. Wiązanie chemiczne powinno wraz z odległością międzyjądrową również zmieniać swój charakter z kowalencyjnego na jonowe, ale ze względu na różnicę mas pomiędzy atomami wchodzącymi w skład cząsteczek okresy oscylacji będą krótsze lub dłuższe, co wpłynie na szybkość reakcji dysocjacji lub asocjacji.

W pierwszej części projektu badawczego przeprowadzone zostaną bardzo dokładne obliczenia adiabatycznych krzywych energii potencjalnej dla stanu podstawowego oraz szeregu stanów wzbudzonych. Obliczenia zostaną wykonane za pomocą pakietu obliczeniowego MOLPRO, w którym zaimplementowano zaawansowane metody obliczeniowe fizyki i chemii kwantowej. Dysponując potencjałami adiabatycznymi wykonane zostaną obliczenia struktury rotacyjno-oscylacyjnej. W tym celu wykorzystany zostanie program LEVEL. Za jego pomocą zostaną wyznaczone również czynniki Francka-Condona. W części strukturalnej oprócz bardzo dokładnych potencjałów adiabatycznych, zostaną również policzone radialne współczynniki sprzężenia nieadiabatycznego, a następnie interesujące nas krzywe potencjalne zostaną przedstawione w reprezentacji diabatycznej, wychodzącej poza przybliżenie Borna-Oppenheimera. W celu ustalenia warunku początkowego, policzone również zostaną funkcje dipolowych momentów przejść elektronowych dla rozważanych cząsteczek. Często z braku odpowiednich danych momenty te przybliża się za pomocą stałych niezależnych od odległości międzyjądrowej, co może prowadzić do jakościowo błędnych wyników.

Po przygotowaniu związanym z wyznaczeniem struktury rotacyjno-oscylacyjno-elektronowej cząsteczek, druga część niniejszego projektu polegała będzie na badaniach dynamiki procesów fotodysocjacji lub fotoasocjacji rozważanych molekuł. Badane będą różne warianty tych procesów, tak aby otrzymać możliwie optymalny zbiór parametrów potrzebnych do przeprowadzenia badań eksperymentalnych. Za pomocą odpowiednio dobranych impulsów laserowych, układ będzie wzbudzany ze stanu podstawowego do stanów o wyższych energiach. Następnie przeprowadzone zostaną zależne od czasu obliczenia propagacji pakietów falowych oraz zostanie wyznaczone zależne od czasu widmo, co pozwoli na śledzenie wzbudzenia elektronowego i wymuszonego ruchu jąder atomowych. Zbadany zostanie również wpływ kształtu i długości trwania impulsu laserowego na procesy dysocjacji i asocjacji, dzięki czemu osiągnięta zostanie kontrola nad dynamiką reakcji chemicznej na poziomie kwantowym. Ostatecznie wyznaczona zostanie zmiana populacji stanów elektronowych rozważanych cząsteczek w czasie oraz przekroje czynne na fotodysocjację i fotoasocjację. Obliczenia numeryczne wykonane w ramach tej części projektu będą przeprowadzone za pomocą programu WavePacket oraz, jeżeli zajdzie taka potrzeba, własnych programów.