Open quantum dynamics theory of excition, electron and proton transfer processes: Hierarchical equations of motion approach

激发、电子和质子转移过程的开放量子动力学理论：层次运动方程方法

基本信息

批准号：
21H01884
负责人：
谷村吉隆
金额：
$ 10.98万
依托单位：
Kyoto University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

２年目である22年度は①太陽電池の素材としても注目されているPerylene bisimides H会合体をモデル化し、階層方程式（HEOM）を用いて時間ゲート蛍光スペクトルを計算し解析、②熱浴系と相互作用している系の熱平衡状態を効率よく計算する虚時間HEOMの開発、③非平衡過程から準静的過程について、HEOMを用いて量子熱浴系を厳密にシミュレーションすることによる量子熱力学の基礎理論の検証、④非線形多モード量子ブラウン運動モデルによる水のモデル化と２次元赤外スペクトル、二次元赤外・ラマン分光スペクトルの計算と解析、の４つのテーマについて研究を行い、６本の論文を出版した。特に③において出版した２本の論文のうち、２本目の量子カルノーサイクルの厳密な数値シミュレーションは、量子力学においても熱力学第二法則が完全に満たされることを示しており、量子領域では熱力学則破れるという議論は、熱浴との相互作用を正しく考慮してないことから来る、アーティファクトであることを明快に示した。また年度末に出版した④の２本についても、これまで量子的な計算が不可能であった水の分子内・分子間のモード結合の効果を、４モードをすべて含むモデルを構築し、それを用いて２次元赤外スペクトル、さらに我々が新たに提唱した２次元赤外・ラマンスペクトルを計算することに成功した。この方法論は量子散逸効果を含めて厳密であり、パソコンレベルの計算機において数時間内に計算を可能にしており、JCPのエディター推薦に選ばれるなど、出版直後から高い評価を得ている。このプログラムのソースコードも論文とともに公開している。これらの研究成果については、スウェーデンで行われた多次元分光に関するノーベルシンポジュムでの招待講演、年度末にインディアナポリスで行われたアメリカ化学会で２件の招待講演を行った他、UCバークレーでもセミナーを行った。

第二年，即2022年，重点关注（1）苝双酰亚胺，作为太阳能电池材料而备受关注；使用层次方程（HEOM）对 H 聚集体进行建模并计算和分析时间选通荧光光谱； ② 开发虚时间 HEOM，有效计算与热浴系统相互作用的系统的热平衡状态； ③ 从非平衡过程到准平衡过程； -静态过程，我们使用 HEOM 严格分析量子热浴系统。四个主题：通过模拟验证量子热力学基本理论，（4）利用非线性多模量子布朗运动模型对水进行建模，二维红外光谱的计算和分析，以及二维红外/拉曼光谱进行了研究。并发表论文六篇。特别是，在③发表的两篇论文中，对量子卡诺循环的第二次严格数值模拟表明，即使在量子力学中，热力学第二定律也是完全满足的，并且在量子领域，热力学定律是明确的结果表明，关于它会破裂的论点是由于没有正确考虑与热浴的相互作用而造成的。此外，对于本财年末出版的两本书④，我们构建了一个包含所有四种模式的模型，以解释水分子内部和之间的模式耦合的影响，这在以前是不可能进行量子计算的使用这种方法，我们成功地计算了二维红外光谱，以及我们新提出的二维红外/拉曼光谱。该方法论严谨，包括量子耗散效应，可以在PC级计算机上在几个小时内计算出来，并且在发表后立即获得高度评价，包括被选为JCP编辑的推荐。该程序的源代码也随论文一起公开。关于这些研究成果，我在瑞典举行的诺贝尔多维光谱研讨会上做了一次受邀演讲，在本财年末在印第安纳波利斯举行的美国化学学会上做了两次受邀演讲，在加州大学伯克利分校做了一次研讨会。。