非绝热量子动力学模拟方法及其在凝聚态体系中的应用

密度泛函理论(density functional theory, DFT)可以准确地预测由电子和原子核组成的普通物质的基态电子结构,而当涉及量子体系含时演化的模拟时,比如模拟超快激光与分子或凝聚态体系相互作用的激发态动力学过程,就需要发展实时密度泛函理论(real-time time-dependent density functional theory, rt-TDDFT)和非绝热动力学相结合的新颖计算方法.本文介绍了基于rt-TDDFT的Ehrenfest动力学方法,并结合路径积分分子动力学提出了RPTDAP量子动力学方法. RP-TDAP方法引入了非绝热效应和原子核的量子效应,可以对电子波函数和原子核波包构成的耦合系统进行量子化动力学模拟.这些方法使我们不仅可以准确地理解激发态电子结构、电声相互作用、光致电荷传输、光化学反应等非绝热过程的内在机理,而且可以超越平均场理论给出一个全新的视角来描述原子核的量子行为.本文还应用这些方法研究了几个重要的非绝热动力学现象,说明这些方法可以广泛地用于复杂体系的量子激发超快动力学研究.     

分子阿秒超快动力学精密测量与调控

少周期飞秒脉冲激光和桌面化极紫外阿秒光源的发展为在原子分子层面探究电子和原子核超快运动提供了飞秒到阿秒时间尺度的探测标尺。围绕双光子干涉阿秒拍频重构技术、阿秒条纹相机技术、阿秒钟技术以及阿秒瞬态吸收光谱技术等不同的阿秒测量谱学方法，主要梳理了飞秒和阿秒光脉冲在分子电离解离超快精密测控领域的最新进展，探讨了分子化学键断裂重组过程中的电子跃迁、电荷转移、电子-电子关联、电子-原子核振转耦合等超快动力学行为。     

拓扑量子材料的研究进展

拓扑量子材料近年来已经成为凝聚态物理领域研究的国际前沿课题。在过去的几十年中凝聚态物理学者对量子霍尔效应进行了广泛研究,提出了一种基于拓扑序的研究范式,并且将拓扑这一数学概念与能带理论相结合,成功将其引入到固体电子材料的理论、计算与实验研究之中。拓扑材料具有奇特的表面态和低能耗的电子输运等性质,这些效应是由于拓扑量子态受到严格的对称性保护,对于普通的材料杂质、缺陷或无序具有很高的鲁棒性,并可以通过量子调控或相变改变其拓扑性质。这一新兴研究领域为未来的电子材料和器件,乃至基于量子拓扑体系与计算的信息技术创新探索提供了多种可能。对整个材料学的发展而言,拓扑概念的引入使人们对物质的研究更加深入,并且开始使用更加先进的数学工具描述新材料的属性。文章从拓扑绝缘体和拓扑半金属等材料计算科学的角度探讨拓扑量子材料的一些基本概念以及近年来国内外的研究进展。     

强磁场对中子星壳层结构的影响

中子星内壳层是由原子核与其周围的自由中子气和电子气共存而构成的非均匀物质.天文观测表明部分中子星内部可能存在高达10~(18)G的强磁场.因此中子星的内壳层结构会受到强磁场的明显影响.本文采用相对论平均场理论描述核子间相互作用,并考虑了质子和中子的反常磁矩.利用Wigner-Seitz近似描述中子星内壳层中的非均匀分布物质,并采用自洽Thomas-Fermi近似方法处理在强磁场环境中WignerSeitz原胞内的核子以及电子分布,从而研究强磁场对中子星内壳层中的非均匀相结构以及壳核相变等性质的影响.计算结果表明,与无磁场情况相比,内壳层中非均匀物质的每核子结合能、原子核pasta相结构和壳核相变密度等性质在磁场B≤10~(17)G的环境中不会发生明显变化.而B≥10~(18)G的强磁场会对中子星内壳层中的pasta相结构产生重要影响,使各种pasta相的每核子结合能降低,非球形原子核出现的阈密度和壳核相变密度减小.随着磁场强度B的增加,球形Wigner-Seitz原胞的半径减小,同时原胞内的核子分布变得更加弥散.     

第一性原理介质相似重整化群理论

由于手征有效场论核力、量子多体关联方法和超级计算机能力的发展,原子核第一性原理计算或称从头计算(ab initio,first principles)在最近20年取得了巨大的进步.作为处理强关联多体问题的新秀,介质相似重整化群理论(in-medium similarity renormalization group,IMSRG)已经在原子核第一性原理计算中发挥了重要作用.虽然理论本身仍需进一步发展,但目前的计算已经可以达到较重核区,如已经成功地实现了对208Pb的收敛计算.本文简要回顾介质相似重整化群理论的发展历史,介绍我们在介质相似重整化群理论方面的最新发展,即复动量空间介质相似重整化群和形变介质相似重整化群.复空间介质相似重整化群方法包含了连续谱耦合作用,可以描述原子核的非束缚共振态和弱束缚特性.形变相似重整化群可以更有效地描述形变原子核的结构.     

强关联量子杂质体系的精确模拟

对复杂凝聚态体系中的局域量子态的精确描述,以及对量子态在外场、环境调控下的响应与演化机制的深刻理解,对量子功能材料与器件的构筑与设计有着重要的基础性意义.然而,如何精确刻画复杂材料体系中的量子相干、关联、纠缠等特性,对理论研究而言是个传统难题.本文从全新的视角,即"开放量子体系"的角度来研究复杂凝聚态体系中的量子态.简要介绍了近年来我们基于严格的量子耗散理论发展得到的级联运动方程方法,以及该方法在实验高度关注的强关联量子杂质体系的计算模拟研究方面的应用.     

锡烯的研究进展

石墨烯研究的巨大成功推动了二维晶体材料研究领域的蓬勃发展,和碳同族的Ⅳ族元素组成的具有类石墨烯结构的二维晶体材料受到了广泛的关注,其中由锡元素组成的锡烯晶体由于其优异的物理特性成为研究的热点之一.理论计算表明锡烯是一种大能隙的量子自旋霍尔效应绝缘体,还能够转化为二维的拓扑超导体.锡烯晶体在电子无耗散输运、自旋流产生、高性能热电、光电器件、拓扑量子计算等方面都具有重要的潜在应用价值.本文针对最近几年来锡烯的研究进展进行简要的综述.首先简单描述为什么锡烯晶体具有特殊的物理特性,然后介绍锡烯理论研究的进展以及最近利用分子束外延技术在锡烯晶体薄膜制备方法取得的突破,最后对今后可能的实验研究方向和内容进行了展望.     

低温量热原理及在材料研究中的应用

低温量热技术是测量凝聚态物质比热性质的实验方法,而比热是物质最重要的基础热力学性质.通过比热测量与研究,不仅能够获取物质熵、焓和吉布斯自由能等基础热力学函数,还可以用于研究和理解晶格振动、金属、超导、电子及原子核磁性、稀释磁系统、结构相变等具有重要理论与应用研究价值的科学问题.本文结合当前众多新兴功能材料对其热力学性质研究的迫切需求,详细介绍了比热的基本含义以及测量凝聚态物质比热的主要量热方法,并举例说明了低温量热技术在材料热力学性质研究中的应用.     

电子对原子核的激发

在用电子激發原子核方面已經进行过很多的理論工作,但是所求得的电子激發原子核截面公式都包含有原子核波函数,而現在尚不能普遍地写出准确的原子核波函数,因此就不能根据这些理論公式准确地計算出激發截面來和試驗結果比較。現在提供几种方法,設法避免使用原子核波函数而根据理論对激發截面进行計算和估計,使能和試驗直接比較,然后推論出些有关原子核能量級的性質来。     

蒽衍生物的电子结构和光谱性质

运用实验和量子化学计算方法对两个蒽衍生物9, 10-二苯并咪唑基蒽(DBMA)和9,10-二吡啶基吡咯基蒽(DAA)的电子结构和光谱性质进行了研究, 循环伏安和微分脉冲极谱的数据表明, 在蒽的骨架侧位上分别引入苯并咪唑和吡啶基吡咯基团, 会影响DBMA和DAA的电化学行为. 相对于蒽, DBMA和DAA的吸收光谱和发射光谱均发生红移, 它们位于蓝-绿光区的发光具有很高的量子效率(90%). 在B3LYP/6-31G水平上的理论计算揭示出所引入的侧位取代基对分子的电子结构产生了影响, 这导致分子接受电子能力的增加和HOMO-LUMO能级差的下降. 这也是DBMA和DAA的发光红移到蓝绿光区的原因. 理论研究还指出, DBMA和DAA的非平面几何结构是它们高发光效率的根本原因.     

弱束缚原子核基态与集体激发态的研究

弱束缚原子核是一个开放的量子多体体系,具有与稳定核很不一样的奇特结构和动力学.弱束缚核的相关研究是核物理的一个前沿热点问题,对进一步发展核理论和研究天体环境下的元素合成都很重要.本文介绍了连续谱能量密度泛函理论的发展和弱束缚原子核的研究进展.为了解决自洽描述问题,主要工作是基于非球形的坐标空间求解HFB方程并对弱束缚核基态与集体激发态进行描述,基于计算讨论了蛋形晕结构,核芯-晕形变去耦合效应和准粒子连续谱的贡献;发展了包含连续谱的FAM-QRPA方法描述原子核的集体激发,研究了弱束缚核中出现的软单极共振模式.最后对弱束缚核的研究前景和亟待开展的工作进行了展望.     

基于非结构化VOSET方法的沸腾传热

将非结构化VOSET方法推广至求解气液界面存在相变的流动传热问题.为准确计算界面两侧因相变导致的能量跳跃,给出了含界面非结构网格控制单元温度的计算方法,并对非界面网格温度场采用隐式求解以提高计算精度.为验证所构建相变模型的正确性,编写程序分别模拟了恒壁面过热度和恒热流密度两种边界条件下的水平表面膜态沸腾,计算结果与Klimenko经验关联式吻合良好.通过圆弧表面膜态沸腾问题,验证了本文基于带相变非结构VOSET方法对不规则区域沸腾相变问题的适用性.通过模拟近临界压力水的膜态沸腾问题,并与Berenson和Klimenko经验关联式对比,验证了本文方法对实际沸腾问题的适用性.     

校正电子相关能的改进电子气法

近20年来,作为计算量子化学主流的从头算法在预测分子几何构型和单电子性质上取得了令人信服的成功,但在能量结果上却尚差强人意。原因是分子轨道理论过分强调了电子运动的独立性而未能准确描述其相关性,导致自洽场从头算总是高估电子间的排斥能。分子精确非相对论能量与从头算给出的Hartree-Fock(以下简称H-F)能量之差称为电子相关能。后者在总能量中占的份额虽然不大(0.3—1％),但恰好与共价键能以及化学反应的势垒处于     

现实核力Gamow壳模型计算丰中子碳同位素

远离β稳定线的弱束缚原子核存在很多奇特的现象,已成为当前核物理研究的热点.在通过理论描述这些非稳定区域时,束缚态、共振态与连续态的耦合效应变得尤为突出.与此同时,很多工作也表明了三体力在计算原子核结构时的重要性.本文以丰中子碳同位素为研究对象,采用现实核力Gamow壳模型,从手征有效场论的N~3LO两体与N~2LO三体核力出发,同时考虑束缚态、共振态与连续态,计算了碳同位素基态与第一个2~+激发态的位置.我们的计算给出了正确的滴线位置,验证了氧同位素中子数N=14的壳结构在碳同位素中消失的现象,同时预言了N=16的壳结构.我们将包含与不包含三体力的计算结果进行了比较,显示出三体力对于描述滴线区原子核的重要性.此外,三体力的引入还可以升高第一个2~+激发态的位置,得到与实验更加符合的激发态能量.     

自然信息

电子带负电,而原子核带正电,那么为什么电子绕原子核旋转而不塌陷入核内,也即不遵从正负电荷相互吸引的原则呢?根据尼尔斯·玻尔的量子结构理论,答案是,电子不可能塌陷进原子核内,因为电子必须保持某一种能量即基态能。如果塌陷进去,它须得将其能量向外辐射,但这又是不可能的,其原因何在? 70年来,谁也不能解析清楚其中的原因。然而今天,得克萨斯·奥斯汀高级研究院的哈罗德·普斯夫以最新方法对这一观点加以修正,他说基态是一个动力平衡点,电子既向真空辐射能量也从真空吸收能量。原子很稳定,原子内部含有巨     

气相甲醇分子的核自旋变体的分离和转换机制研究进展

原子核自旋变体(简称核自旋变体)是分子的基本存在形式.由核自旋不为零的同种原子组成的所有分子都有两种或两种以上的核自旋变体.本文先简要地回顾了初期正氢和仲氢分子的研究发展,然后介绍了几种多原子分子的核自旋变体.甲醇分子是有内部扭动类分子的原型代表和最重要的恒星大气分子之一,它有正甲醇和仲甲醇两种核自旋变体.用激光控制分子的热运动,利用光诱导漂移技术可以在室温下将正甲醇和仲甲醇分子部分地在空间中分离开,进而探求它们之间相互转换的物理机制.本文概述了该技术的基本原理和实验方法,介绍了气相正甲醇和仲甲醇分子呈现出的反常光诱导漂移量子现象,以及用量子弛豫理论定量地解释它们在0.3~2 Torr压力范围内的转换率随压力非线性变化新奇关系的最新研究结果.最后,简要展望了本研究结果的潜在应用.     

量子生物力学

量子生物力学是生物力学的一个新的分支.它利用研究微观结构状态下机械运动的量子力学基本原理、密切联系其他量子科学和量子统计力学,试图解释生物系统的微观现象,并预测其宏观性质. 对生物现象及其过程性质的每项深入的基础研究,都要达到微观水平.生物系统的所有结构材料,都起源于由于化学键而使原子相互结合,形成生物分子.在现代实验手段的基础上,证实了有机分子的化学与物理性质不仅决定于它们的初始结构,还决定于它们的立体化学构象及其变化.这种构象决定于分子的分散段绕键的旋转和键角的变形.对构象变化的研究、对各段运动的研究、以及对克服旋转中势阻的研究,都是十分重要的问题.     

基于第一性原理计算的低维功能材料分子设计

低维材料具有高比表面积以及独特的物理化学特性,是未来能源、信息等技术领域的重要研究内容,但如何实现特定结构和功能是其实际应用的基础.分子是保持化学结构和特性的最小单元,从分子基元出发,可以实现低维材料结构预测以及功能导向的理论设计.本文综述了低维功能材料理论设计方面的研究进展,结合分子设计策略和第一性原理电子结构计算方法,针对特定结构和性能开展理论设计,预测了复杂二维单质晶体结构以及一系列低维新型光催化材料和自旋电子学材料,并揭示了低维材料功能和分子基元物性之间的对应关系,总结和展望了低维功能材料分子设计的优势与挑战.     

自由基-分子加成反应活性的密度泛函理论

采用密度泛函理论和Ｈａｒｔｒｅｅ－Ｆｏｃｋ理论分别对一系列烯烃分子的电子结构性质进行了理论计算，并利用烯烃最高占据轨道能量与加成反应速率常数进行了关联。研究结果表明，由密度泛函理论计算得到的结果较由Ｈａｒｔｒｅｅ－Ｆｏｃｋ理论计算得到的结果更能准确地反映该类反应的本质，其原因可归结于密度泛函理论中前线轨道能量的概念描述的是反应过程中过渡态的电子结构性质，而Ｈａｒｔｒｅｅ－Ｆｏｃｋ理论中前线轨道能量     

原子核的第一性原理计算

最近十余年,由于手征有效场论和量子多体理论的发展以及计算机能力的提升,原子核的第一性原理计算取得了较大的进展.另外,由于加速器设备和探测技术的发展,实验研究接近越来越多的滴线核,观测到一些新现象、新规律.这些实验新结果为理论模型的发展提供了很好的机遇,但也带来了巨大的挑战.本文回顾我们利用第一性原理计算的原子核结构,概述我们发展的手征有效场论三体力、含共振与连续态的第一性原理Gamow量子多体理论方法,讨论滴线位置、滴线区原子核壳演化以及三体力在滴线核区的作用.