Nukleare Quanteneffekte in atomistischen Simulationen nichtlinearer Schwingungsspektren komplexer Systeme

• Antragsteller: Dr. Yair Litman
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Chemie: Moleküle, Materialien, Oberflächen ; Theoretische Chemie: Elektronenstruktur, Dynamik, Simulation ; Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 467724959

Die Übertragung von Schwingungsenergie ist in vielen Bereichen der Wissenschaft relevant, da sie eine herausragende Rolle bei Prozessen wie chemischen Reaktionen, allosterischer Kommunikation in Proteinen und Wärmetransport in Materialien spielt. Die Untersuchung der Schwingungsdynamik hat in den vergangenen Jahrzehnten stark von den Fortschritten der Lasertechnologie profitiert, die die Entwicklung vieler Arten ultraschneller Spektroskopie mit beeindruckend hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung ermöglicht hat. Detaillierte Informationen können jedoch selten allein aus experimentellen Ergebnissen gewonnen werden und zusätzliche theoretische Simulationen sind oftmals erforderlich, um die Daten zu analysieren und atomistisch zu interpretieren.Das Ziel dieses Projekts ist es, neue Algorithmen und Simulationsstrategien zu entwickeln, die es erlauben, einige der Lücken zwischen bestehenden Simulationsansätzen und der zunehmenden Menge an verfügbaren Daten aus dem Feld der nichtlinearen Schwingungsspektroskopie zu schließen. Dabei wollen wir uns auf die Einbeziehung von nuklearen Quanteneffekten (NQEs) konzentrieren. Von diesen ist bekannt, dass sie eine wichtige Rolle für die strukturellen und dynamischen Eigenschaften von Systemen spielen, die leichte Kerne enthalten, dennoch werden sie in atomistischen Simulationen noch immer häufig vernachlässigt. Die neu entwickelten Methoden werden auf dem Pfadintegralformalismus der Quantenmechanik basieren, welcher einen guten Kompromiss zwischen Genauigkeit und Rechenaufwand darstellt. Wir werden dabei insbesondere auf Verfahren aufbauen, die bereits erfolgreich zur Analyse linearer Spektren eingesetzt wurden. Diese sollen erheblich erweitert werden, um die Berechnung verschiedener Arten nichtlinearer Spektroskopie zu ermöglichen, einschließlich zweidimensionaler Infrarot- und Summenfrequenzspektroskopie (2D-SFG). Die neuen Methoden sollen auf eine Reihe realer Systeme angewendet werden, angefangen bei kleinen Molekülen bis hin zu anspruchsvolleren, wässrigen kondensierten Systemen. Das Forschungsprogramm soll mit der Untersuchung der biologisch und technologisch besonders relevanten Wasser-Luft-Grenzfläche durch Simulation oberflächenspezifischer spektroskopischer Signale abgeschlossen werden. Damit ermöglichen wir zum ersten Mal die Simulation des 2D-SFG-Spektrums der Wasser-Luft-Grenzfläche einschließlich NQEs - eine entscheidende Voraussetzung für die Erweiterung des Verständnisses der Wasserdynamik an Grenzflächen.Die Ergebnisse dieses Forschungsvorhabens werden sowohl einen wichtigen Beitrag zur Verbesserung der theoretischen Modellierung der Schwingungsdynamik als auch der Interpretation mehrdimensionaler schwingungsspektroskopischer Daten darstellen. Wir erwarten uns dadurch eine erhebliche Verbesserung des derzeitigen Verständnisses von Quanteneffekten bei der Übertragung von Schwingungsenergie im Allgemeinen und der Schwingungsdynamik in wässrigen Systemen im Besonderen.

• DFG-Verfahren: WBP Stipendium
• Internationaler Bezug: Großbritannien
• Gastgeber: Professor Dr. Stuart C. Althorpe