Duo: a general program for calculating spectra of diatomic molecules

Duo is a general, user-friendly program for computing rotational, rovibrational and rovibronic spectra of diatomic molecules. Duo solves the Schr\"{o}dinger equation for the motion of the nuclei not only for the simple case of uncoupled, isolated electronic states (typical for the ground state of closed-shell diatomics) but also for the general case of an arbitrary number and type of couplings between electronic states (typical for open-shell diatomics and excited states). Possible couplings include spin-orbit, angular momenta, spin-rotational and spin-spin. Corrections due to non-adiabatic effects can be accounted for by introducing the relevant couplings using so-called Born-Oppenheimer breakdown curves. Duo requires user-specified potential energy curves and, if relevant, dipole moment, coupling and correction curves. From these it computes energy levels, line positions and line intensities. Several analytic forms plus interpolation and extrapolation options are available for representation of the curves. Duo can refine potential energy and coupling curves to best reproduce reference data such as experimental energy levels or line positions. Duo is provided as a Fortran 2003 program and has been tested under a variety of operating systems

Multiconfiguration Time-Dependent Hartree-Fock Treatment of Electronic and Nuclear Dynamics in Diatomic Molecules

The multiconfiguration time-dependent Hartree-Fock (MCTDHF) method is formulated for treating the coupled electronic and nuclear dynamics of diatomic molecules without the Born- Oppenheimer approximation. The method treats the full dimensionality of the electronic motion, uses no model interactions, and is in principle capable of an exact nonrelativistic description of diatomics in electromagnetic fields. An expansion of the wave function in terms of configurations of orbitals whose dependence on internuclear distance is only that provided by the underlying prolate spheroidal coordinate system is demonstrated to provide the key simplifications of the working equations that allow their practical solution. Photoionization cross sections are also computed from the MCTDHF wave function in calculations using short pulses.Comment: Submitted to Phys Rev

Cross-correlation trajectory study of V-V energy transfer in HF-HF and DF-DF

Results of a fully three‐dimensional classical trajectory calculation of vibrational energy transfer are presented for the collision of HF(v=1) with HF(v=1) and its deuterium analog. A cross‐correlation method, together with quasiclassical trajectories, is introduced to relate the changes in vibrational states of the two molecules to probabilities and rate constants. Multiple collisions are found to make an important contribution to the vibrational energy transfer cross‐sections for the present potential surface. Vibrational anharmonicity is shown to decrease the energy transfer rate constant by a factor of ten, by causing the process to be further from exact resonance. Excellent agreement with experiment is obtained for the HF–HF and DF–DF systems

Ab initio molecular dynamics simulations of molecular scattering from metal(111) surfaces

In this thesis, I report on ab initio molecular dynamics (AIMD) simulations of scattering experiments of CO and NO from Au(111) and Ag(111) surfaces and provide minimum energy pathway (MEP) calculations of the dissociation reactions of hydrogen halides and NO on different metal(111) surfaces. Furthermore, I did calculations of the transition dipole moment to investigate the electronic interaction of CO on different surfaces and calculated the electronic ground state energy for CO at different surfaces and NO/Au(111). Finally, I computed the phonon spectra of (Ag-covered) Au(111) and Ag(111) surfaces to look into their mechanical properties, because they can influence the scattering behavior. A comparison between experimental results and the adiabatic simulations for CO in low vibrational states shows a nearly quantitative agreement, and thus non-adiabatic effects, like electron-hole pair (ehp) excitation, can be neglected. The disagreement between the adiabatic simulations and the experiment suggests a more dominant role of non-adiabatic effects in the scattering dynamics of highly vibrationally excited NO and CO from metal surfaces. The computed phonon spectra for Au(111), Ag(111) and Ag-covered Au(111) surfaces suggest a purely mechanical energy transfer for the translational energy of CO(v=2) to the surface phonons which is in agreement with the results of the computed AIMD simulations. The transition state (TS) configurations for all dissociation reactions show an elongated molecular internuclear distance, and therefore we can assume that the dissociation reactions are promoted via vibrational excitation according to Polanyi’s rules. The obtained density functional theory (DFT) data for NO/Au(111) can be fitted to obtain a diabatic potential with a neutral and an anionic state, where NO$^{-}$ is formed to enable molecular dynamics (MD) simulations in the framework of the independent electron surface hopping (IESH) approach.2021-09-0

Experimental Studies of the NaCs 53Π0 and a3Σ+ States

We report high resolution measurements of 372 NaCs 53Π0(v, J) ro-vibrational level energies in the range 0 ≤ v ≤ 22. The data have been used to construct NaCs 53Π0 potential energy curves using the Rydberg–Klein-Rees and inverted perturbation approximation methods. Bound-free 53Π0(v, J) → 1(a)3Σ+ emission has also been measured, and is used to determine the repulsive wall of the 1(a)3Σ+ state and the 53Π0 → 1(a)3Σ+ relative transition dipole moment function. Hyperfine structure in the 53Π0 state has not been observed in this experiment. This null result is explained using a simple vector coupling model

Study of vibrational excitation mechanisms of carbon dioxide at high temperatures

Vibrational relaxation models of carbon dioxide at high temperature

Orientation-dependent energy transfer in gas-surface collisions: Scattering of vibrationally excited nitric oxide from Au(111)

Meine Doktorarbeit ist ein Beitrag zum Gebiet der Reaktionsdynamik an Oberflächen. In diesem Forschungsbereich wird daran gearbeitet, ein detailliertes mikroskopisches Verständnis von chemischen Prozessen an Oberlächen zu erzielen. Fortschritt resultierte dabei häufig aus der Zusammenarbeit von experimentell und theoretisch arbeitenden Forschern und die vorliegende Arbeit führt diese Tradition weiter. Ausgangspunkt meiner Untersuchungen war eine bemerkenswerte theoretische Vorhersage, die ich experimentell überprüft habe. Dabei habe ich mehrere neue Beobachtungen gemacht, von denen ich hoffe, dass sie zu Weiterentwicklungen in der theoretischen Chemie beitragen. Ein aktuelles und wichtiges Thema auf das ich meine Forschung gerichtet habe, ist das Versagen der Born-Oppenheimer Näherung und die damit einhergehenden elektronisch nichtadiabatischen Energietransferprozesse an Oberflächen. Dafür habe ich das Streuverhalten von hoch schwingungsangeregtem Stickstoffmonoxid (NO) an der (111)-Oberfläche eines Goldkristalls untersucht. Dieses System war bereits vor dieser Arbeit ein bedeutendes Modellsystem für nichtadiabatische Prozesse an Oberflächen. Beim Stoß mit der Oberfläche geben die hochschwingungsangeregten NO Moleküle Schwingungsenergie an elektronische Freiheitsgrade im Metall ab. Dieser sehr effiziente Energietransfer kann nur im Rahmen eines nichtadiabatischen Effektes (Versagen der Born-Oppenheimer Näherung) erklärt werden und der aktuelle Stand der Forschung ist, dass dieser Prozess durch einen transienten Elektronentransfer (ET) von der Oberfläche zum Molekül verursacht wird. Gemessen habe ich Schwingungs- und Rotationsverteilungen von in verschiedenen angeregten Schwingungszuständen (vi = 3, 11, und 16) präparierten NO Molekülen nach dem Stoß mit der Au(111) Oberfläche. Dabei wurden die einfallende Translationsenergie (Eitrans=0.05 - 1 eV) und die Orientierung der Moleküle systematisch variiert. Dies sollte den Einfluss dieser Parameter auf den durch ET getriebenen Energietransfer aufzeigen, sowie generell zu einem besseren Verständnis der Gesetzmäßigkeiten beitragen, nach denen Prozesse an Oberflächen ablaufen. Um die angestrebten Experimente durchführen zu können, habe ich an der Entwicklung von zwei neuen experimentellen Methoden mitgewirkt: 1) einer Methode um polare Moleküle in einem elektrischen Feld auszurichten ( "Optische Zustandsselektion mit adiabatischer Orientierung") und 2) einer Methode für die Unterdrückung von spontaner Emission beim optischen Pumpen ("Pump-Dump-Sweep"). Der Einfluss der Orientierung ist sowohl drastisch als auch komplex. Für NO in vi = 3 und 11 wird die Schwingungsrelaxation stark durch eine Ausrichtung der Moleküle mit dem N-Atom in Richtung der Oberläche gegenüber einer Ausrichtung mit dem O-Atom in Richtung der Oberfläche verstärkt. Für diese Zustände nimmt die Relaxation außerdem mit steigender einfallender Translationsenergie zu. Interessanterweise verschwinden sowohl der Einfluss der Translationsenergie, als auch der Orientierung für NO in vi = 16 und alle Moleküle relaxieren zu niedrigeren Schwingungszuständen. Die Rotationsverteilungen der gestreuten Moleküle hängen ebenfalls stark von der einfallenden Translationsenergie, Orientierung sowie dem Schwingungszustand ab und zeichnen sich durch ausgeprägte nicht-thermische Maxima ("Rotationsregenbögen") aus. Dies ist die erste Beobachtung von Rotationsregenbögen in Molekülen, die zuvor Schwingungsenergie durch einen Stoß mit einer Oberfläche verloren haben. Die Messergebnisse weisen eine komplizierte Abhängigkeit von Orientierung, Einfallsenergie und Schwingungszustand auf. Trotzdem können die beobachteten Trends in der Schwingungsrelaxationswahrscheinlichkeit mit einem einfachen Modell verstanden werden, welches auf einer energetischen Barriere der zugrundeliegenden Elektronentransferreaktion basiert. Die Höhe dieser Barriere nimmt mit zunehmender einfallender Schwingungsenergie ab. Dies erklärt den Trend hin zu stärkerer Schwingungsrelaxation, wenn vi erhöht wird. Die Änderung der Barriere erklärt auch, warum die Schwingungsrelaxation für vi = 3 und 11 stark von der Translationsenergie beeinflusst, für vi = 16 hingegen kaum benötigt wird. Die Barrierenhöhe wird außerdem durch eine Ausrichtung der Moleküle mit dem N-Atom in Richtung der Oberfläche verringert und führt zu einem starken Anstieg der Relaxation für diese Orientierung. Die experimentellen Daten aus dieser Arbeit ermöglichen einen sehr detaillierten Test für Methoden der theoretischen Chemie. Aktuelle Berechnungen zu dem untersuchten System basierend auf den Methoden der Elektronischen Reibung ("electronic friction") oder IESH ("independent electron surface hopping") scheitern bei der Vorhersage der erzeugten Schwingungsverteilungen und deren Abhängigkeiten von den Bedingungen des Streuexperiments. Ich hoffe, dass die neuen Daten als Grundlage für weitere theoretische Arbeiten dienen, um so noch tiefere Einblicke in dieses bedeutende Beispiel eines nichtadiabatischen Prozesses in der Oberflächendynamik zu erhalten. Ein unabhängiges Thema, welches in der vorliegenden Arbeit zusätzlich behandelt wird, ist die Erzeugung eines Molekularstrahls hoch schwingungsangeregter CO Moleküle. Dafür habe ich eine Methode entwickelt, die "Pump-pump-perturb and dump" genannt wird und auf dem optischen Pumpen in erster Näherung dipolverbotener elektronischer Übergänge beruht. Ich demonstriere die erfolgreiche Implementierung der Methode in dem bestehenden Versuchsufbau