Zespół badawczy nr 1
Rozwój metod obliczeniowych wykorzystywanych w obliczeniach atomowych
prof. dr hab. Józef E. Sienkiewicz
dr inż. Paweł Syty
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.
Zespół badawczy nr 2
Symulacje propagacji pola elektromagnetycznego w układach plazmonicznych w skali nano
prof. dr hab. Józef E. Sienkiewicz
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.
Zespół badawczy nr 3
Kwantowa teoria informacji
prof. dr hab. Paweł Horodecki
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.
Zespół badawczy nr 4
Nieliniowa propagacja ultradźwięków w płynach
dr hab. Anna Perelomova
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.
Zespół badawczy nr 5
Teoretyczne badanie struktur rotacyjno-oscylacyjno-elektronowych cząsteczek dwu- i trójatomowych. Badanie dynamiki procesów fotodysocjacji i fotoasocjacji.
prof. dr hab. Józef E. Sienkiewicz
dr hab. Jan Kozicki, prof. uczelni
dr inż. Patryk Jasik
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.