Effiziente quantenchemische Berechnungen von Atomen und Molekülen in starken Magnetfeldern
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Abstract
Diese Arbeit behandelt die spektroskopische Untersuchung von Atomen und Molekülen in der Anwesenheit externer Magnetfelder. Hierbei werden insbesondere starke Felder mit mehr als 1000 Tesla betrachtet, in denen Coulomb- und Lorentzkräfte konkurrieren. Feldstärken dieser Größenordnung können nicht auf der Erde generiert werden. Sie können jedoch beispielsweise auf magnetischen weißen Zwergen beobachtet werden, welche Sterne unseres Universums sind. Die Zuordnung der Spektren dieser Himmelskörper ist aber durch die Unzugänglichkeit von experimentellen Referenzspektren erschwert. Die einzige Möglichkeit ein Referenzspektrum zu generieren kann mithilfe quantenchemischer Simulationen erfolgen. Die quantenchemische Simulation der Spektren dieser magnetischen weißen Zwerge stellt jedoch eine rechentechnische Herausforderung in Bezug auf Rechenzeit und Speicherbedarf dar. Im Rahmen dieser Arbeit werden durch die Einführung einer Reihe an technischen und algorithmischen Entwicklungen die vorherrschenden Limitationen aufgehoben und eine routinemäßige Anwendung quantenchemischer Methoden zur Behandlung von Atomen und Molekülen im Magnetfeld gewährleistet. Im Fokus steht hierbei die Cholesky-Zerlegung der Zweielektronenintegralmatrix. Diese Integralmatrix stellt häufig einen Speicherengpass dar, welcher durch die Zerlegung drastisch reduziert werden kann. Durch die Herabsetzung der Speicheranforderungen ermöglicht die Cholesky-Zerlegung die Entwicklung einer Reihe an effizienten Coupled-Cluster- und Equation-of-Motion-Coupled-Cluster-Methoden für finite Felder (ff-CD-CC-Methoden), welche zur Berechnung von korrelierten Grundzustands- und Anregungsenergien, sowie Einelektroneneigenschaften, wie Übergangsdipolmomente, eingesetzt wird. Diese Methodenentwicklungen ermöglichen die Beantwortung spektroskopischer Fragestellungen, welche aufgrund der rechentechnischen Limitationen zuvor unzugänglich waren. Eine dieser Fragestellungen ist die Lage und Form von Absorptionsbanden des Magnesiumatoms innerhalb der Spektren von magnetischen weißen Zwergen. Insbesondere werden durch die statische Einbettung eines Magnesiumatoms in die extrem dichte Heliumatmosphäre die Druckeffekte aufgrund der Stoßverbreiterung der Spektrallinien betrachtet. Des Weiteren wird mit der Spektroskopie des magnetischen Zirkulardichroismus (MCD) eine weitere spektroskopische Methode diskutiert, welche sowohl in der Astrophysik als Spektropolarimetrie aber auch auf der Erde angewendet wird.