Ab initio optimale Kontrolle offener Quantensysteme mit Anwendung in der Oberflächenphotochemie

• Antragsteller: Professor Dr. Thorsten Klüner
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Chemie: Elektronenstruktur, Dynamik, Simulation
• Förderung: Förderung von 2011 bis 2015
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 203753667

• Erstellungsjahr: 2015

Zusammenfassung der Projektergebnisse

In diesem Projekt wurde erstmalig die lichtinduzierte Desorption zweiatomiger Moleküle von Oxidoberflächen als ein fundamentaler photochemischer Elementarprozess im Rahmen der Theorie offener Quantensysteme unter optimaler Kontrolle mit zeitabhängigen Zielfunktionen untersucht. Unter Verwendung von ab initio Potentialflächen für den elektronischen Grundzustand und für die am Desorptionsprozess beteiligten angeregten Zustände wurden sowohl stochastische Wellenpaketrechnungen als auch Studien unter Verwendung eines Surrogate Hamiltonian durchgeführt. Es konnten Geschwindigkeitsverteilungen der Desorbate und Lebensdauern der Intermediate vorhergesagt werden. In einer methodischen Erweiterung wurde die Theorie des Surrogate Hamiltonian mit der Theorie optimaler Kontrolle zusammengeführt und die Anwendbarkeit an Hand eines Modellsystems demonstriert. Als erste Anwendungen konnte die Relaxation der angeregten CO-Pt Schwingung im System CO/Pt(111) mit Hilfe optimaler Kontrolle gesteuert werden. Die Kontrolle der elektronischen Relaxation im System NO/NiO(100) gestaltete sich auf Grund einer sehr komplexen Dynamik deutlich schwieriger. Als möglicher Lösungsansatz wurde erstmals eine explizite Kontrolle der Badmoden implementiert und erfolgreich an Modellsystemen getestet. Die Anwendung dieses Ansatzes auf elektronische Relaxation ist dabei Gegenstand aktueller Untersuchungen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• J. Chem. Phys. 136 (2012), 124118: Optimal control of open quantum systems: A combined surrogate Hamiltonianoptimal control theory approach applied to photochemistry on surfaces
  E. Asplund, T. Klüner
  
• Chem. Phys. Lett. 556 (2013), 98: Interaction of NO with the TiO2(110) surface: a quantum chemical study
  M. Arndt, M. Sukumaran, T. Klüner
  
• Mol. Phys. 111 (2013), 1612: Calculation of two-dimensional potential energy surfaces of CO on a rutile(110) surface: ground and excited states
  M. Mehring, T. Klüner
  
• Mol. Phys. 111 (2013), 2377: A Surrogate Hamiltonian study of femtosecond photodesorption of CO from NiO(100)
  E. Asplund, T. Klüner
  
• J. Chem. Phys. 141 (2014), 084715: Quantum dynamical study of femtosecond photodesorption of CO from TiO2(110)
  E. Asplund, T. Klüner
  
• Phys. Chem. Chem. Phys. 16 (2014), 18743: Photoinduced desorption of CO from rutile TiO2(110): Elucidation of a new desorption mechanism from first principles
  H. Spieker, T. Klüner