Physical Chemistry and Theoretical Chemistry (Council of Physical Sciences)
100 %
Ortelius classification: Quantum chemistry
Panel
Chemistry 1
Department or equivalent
Institute of Chemistry (Eötvös Loránd University)
Starting date
2017-10-01
Closing date
2020-09-30
Funding (in million HUF)
15.219
FTE (full time equivalent)
2.10
state
closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. Az elméleti kvantum molekuladinamika az időfüggő Schrödinger egyenlet megoldásával különféle előrejelzéseket tesz és emellett hozzájárul korszerű kísérletek értelmezéséhez és tervezéséhez. Jelen kutatási terv célja a GENIUSH (General Rovibrational Code with Numerical, Internal-coordinate, User-specified Hamiltonians) programcsomag továbbfejlesztése időfüggő folyamatok kvantumdinamikájának leírására. A tervezett fejlesztések az időfüggő külső elektromágneses terekkel történő kölcsönhatás leírását, sebességi együtthatók számítását autokorrelációs függvények segítségével és az azonos részecskék permutációs szimmetriáinak általános figyelembevételét foglalják magukba. Ezek a fejlesztések egy általánosan alkalmazható kvantum molekuladinamikai programrendszert fognak eredményezni. A kutatási terv további céljai között szerepel olyan közelítő módszerek fejlesztése, melyek lehetővé teszik fluxionális rendszerek dinamikájának megfelelő pontossággal történő vizsgálatát.
Mi a kutatás alapkérdése? Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek. A tervezett kutatások molekuláris rendszerek kvantum dinamikájának jobb megértéséhez fognak hozzájárulni. A kvantum dinamika fogalma az alábbi területekre utal: spektroszkópia, molekulák kölcsönhatása külső időfüggő elektromágneses terekkel, reakciókinetika. A tervezett kutatások közös alapkérdése az időfüggetlen és időfüggő Schrödinger-egyenletek egy általánosan alkalmazható eljárással történő megoldása. A tervezett vizsgálatok a következő eredményekhez vezetnek el: rezgési-forgási energiaszintek és hullámfüggvények, színképvonalak pozíciói és intenzitásai (nagyfelbontású spektroszkópia) és különféle időfüggő eredmények (pl. időfüggő populációk, fizikai mennyiségek várható értékei, magmozgáshoz kapcsolódó fluxus és sebességi együtthatók, időfüggő kvantum molekuladinamika).
Mi a kutatás jelentősége? Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának! A tervezett kutatások jelentőségét az adja, hogy a részletes kutatási tervben leírtaknak megfelelően eredményül olyan általánosan alkalmazható és pontos elméleti módszerekhez és programokhoz jutunk, melyek alkalmasak spektroszkópiai és kvantum molekuladinamikai kérdések megválaszolására. A kutatás fő egyediségét és erősségét az biztosítja, hogy a felhasználóknak nem kell majd újra és újra külön programokat fejleszteniük különböző atomszámú és topológiai szerkezetű molekulák vizsgálatára.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára. A fizikai-kémiai alapkutatás fő célja alapvető fontossággal bíró fizikai és kémiai kérdések megválaszolása. Néhány ilyen kérdés a következőképpen tehető fel: miért zajlanak gyorsan, vagy éppen ellenkezőleg lassan a kémiai reakciók, hogyan irányíthatjuk egyes kémiai folyamatok kimenetelét, milyen elemek és molekulák építik fel a távoli égitesteket, mi az eredete a biológiai homokiralitásnak (másképpen szólva miért választott ki a természet biomolekulák enantiomerjei közül egyet)? Az előző mondatban felsorolt látszólag egymástól távoli kérdések megválaszolásában a közös pontot a kvantummechanika törvényei adják, melyek leírják a molekuláris rendszerek dinamikáját. Ez a megállapítás teszi fontossá olyan kvatummechanikai törvényeken alapuló pontos és hatékony elméleti módszerek fejlesztését, melyek képesek bizonyos molekuláris tulajdonságok jóslására és segítik korszerű kísérletek tervezését és értelmezését.
Summary
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. The main purpose of theoretical molecular quantum dynamics is to solve the time-dependent Schrödinger equation in order to make various predictions and contribute to the interpretation and design of state-of-the-art experiments. This project is aimed at extending the range of applicability of the GENIUSH (General Rovibrational Code with Numerical, Internal-coordinate, User-specified Hamiltonians) program package to time-dependent phenomena. The planned developments include the study of interaction with time-dependent electromagnetic fields, calculation of rate coefficients by employing autocorrelation functions and the general treatment of permutational symmetries for identical particles, thus providing a generally applicable framework for quantum dynamical investigations. Besides these plans the project will also put effort into the development of approximate theories which have sufficient predictive power to unravel the quantum dynamics of highly fluxional systems (e.g. CH5+).
What is the major research question? Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments. The planned research project will contribute to a better understanding of quantum dynamics of molecular systems. The term quantum dynamics refers to a broad range of problems in spectroscopy, interaction of molecules with time-dependent external electromagnetic fields and reaction kinetics. The main problem addressed by this research plan is the solution of the time-independent and time-dependent Schrödinger equations by a generally applicable procedure. The planned investigations yield rotational-vibrational energy levels and wave functions, spectral line positions and intensities (domain of high-resolution spectroscopy), and time-dependent results (such as populations, expectation values of different physical quantities, nuclear motion fluxes and rate coefficient values, domain of time-dependent quantum dynamics).
What is the significance of the research? Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field. The significance of the planned research projects is that they will result in generally applicable and accurate theoretical models and softwares that can address various questions in the fields of spectroscopy and quantum molecular dynamics as described in the detailed research plan. The main uniqueness and strength of this research are provided by the fact that users do not have to develop separate programs for molecules with different atom numbers and topological structures.
Summary and aims of the research for the public Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others. Basic research in physical chemistry seeks answers to questions of fundamental interest in physics and chemistry. Some of these questions can be posed as follows: why are certain chemical reactions fast while others slow, how can we control the outcome of chemical processes, what elements and molecules make up distant celestial objects, what is the origin of biological homochirality (or in other terms why does nature prefer one selected enantiomer of biomolecules)? The common ground for these seemingly unrelated questions is the underlying laws of quantum mechanics governing the dynamics of molecules. It is therefore important to develop accurate and efficient theoretical methods that are based on the laws of quantum mechanics and able to predict various molecular properties and assist the development and interpretation of state-of-the-art experiments.
Final report
Results in Hungarian
Az “Új Kvantum Molekuladinamikai Módszerek Fejlesztése” című kutatómunkám során többatomos molekulák pontos kvantumdinamikai leírásával foglalkoztam. Speciális hangsúlyt fektettem a módszerfejlesztésre és a kifejlesztett módszerek kihívást jelentő molekulákra való alkalmazására. A molekulák szimmetriái kapcsán végzett munkám pontos rezgési-forgási energiaszinteket eredményezett a protonált metán molekulára, melyre köztudottan nem alkalmazható a molekulák szerkezetére és mozgásaira vonatkozó hagyományos kémiai kép. Emellett kifejlesztettem egy elemi, kvantumgráfokon alapuló kvantummechanikai eljárást, mely segít megérteni, hogy miért különbözik annyira a protonált metán a többi molekulától. Foglalkoztam a jól ismert alagúteffektus pontos időfüggő kvantumdinamikai leírásával az ammónia molekula izotopomerjeiben és kimutattam, hogy az alagúteffektust lézerterek segítségével lelassíthatjuk, vagy felgyorsíthatjuk (koherens kontroll). Végül, de nem utolsósorban megvizsgáltam a klasszikus, illetve kvantumos fény által előidézett nemadiabatikus hatásokat a formaldehid molekula színképében pontos kvantumdinamikai módszerekkel. Egyéb eredmények mellett megmutattam, hogy egyes korábbi munkákban használt feltételezések hamisak. Az ebben a részben kifejlesztett módszerek reményeink szerint hozzá fognak járulni annak a megértéséhez, hogy az optikai rezonátorok kvantált elektromágneses tere miként képes befolyásolni a kémiai reakciók sebességét.
Results in English
My research project titled “Development of Novel Methods in Quantum Molecular Dynamics” has been aimed at the accurate quantum-mechanical description of polyatomic molecules with a special focus on method development and applications for challenging molecular systems. My work on the symmetry of molecules has resulted in accurate rovibrational energy levels for the protonated methane molecule, well known for defying our traditional chemical picture about the structure and motions of molecules. In addition, I have proposed an intuitive quantum-mechanical method based on quantum graphs that helps understand what makes protonated methane so unique among other molecules. I have studied the time-dependent quantum dynamics of the prototypical inversion tunneling process in ammonia isotopomers in a numerically exact way and demonstrated that tunneling can be inhibited or accelerated by laser light (coherent control of tunneling). Last but not least, I have investigated nonadiabatic effects induced by classical and quantized light fields in the absorption spectrum of the formaldehyde molecule with highly-accurate quantum-dynamical methods. Among other results, this work has demonstrated that certain assumptions made in previous works are invalid. The computational protocol developed in this part can hopefully find applications in understanding why chemical reactions are accelerated or inhibited by the quantized electromagnetic field of an optical cavity.
Attila G. Császár, Csaba Fábri, Tamás Szidarovszky: Exact Numerical Methods for Stationary-state-based Quantum Dynamics of Complex Polyatomic Molecules (in press), Molecular Spectroscopy and Quantum Dynamics (Elsevier, edited by Roberto Marquardt and Martin Quack), 2019
Attila G. Császár, Csaba Fábri, János Sarka: Quasistructural molecules, WIREs Comput. Mol. Sci. 2019, e1432, 2019
Attila G. Császár, Csaba Fábri: From Tunneling Control to Controlling Tunneling (submitted for publication), Tunnelling in Molecules (Royal Society of Chemistry, edited by Johannes Kästner and Sebastian Kozuch), 2019
J. Šmydke, C. Fábri, J. Sarka, A. G. Császár: Rovibrational Quantum Dynamics of the Vinyl Radical and its Deuterated Isotopologues, accepted for publication, PHYSICAL CHEMISTRY CHEMICAL PHYSICS, 2018
C. Fábri, R. Marquardt, A. G. Császár, M. Quack: Controlling Tunneling in Ammonia Isotopomers, submitted for publication, JOURNAL OF CHEMICAL PHYSICS, 2018
