Please use this identifier to cite or link to this item: http://doi.org/10.25358/openscience-2332
Authors: Hampe, Florian
Title: Accurate treatment of the electronic structure of atoms and molecules in strong magnetic fields
Online publication date: 4-Oct-2019
Language: english
Abstract: In dieser Arbeit wird ein Arsenal an Methoden zur hochgenauen Untersuchung der Elektronenstruktur von Atomen und Molekülen in starken Magnetfeldern präsentiert. Zu diesem Zweck wird das quantenchemische Programmpaket Qcumbre vorgestellt. Es umfasst die erste komplexwertige Equation-of-Motion Coupled-Cluster (EOM-CC)-Implementierung, die es erlaubt, hochgenaue Berechnungen zur Untersuchung von Grund- und insbesondere angeregten Zuständen von Systemen in starken Magnetfeldern durchzuführen. Neben komplexwertigen CCSD-, CCSD(T)- und CCSDT-Implementierungen sind außerdem die EOM-EE-, -SF-, -IP- und -EA-Varianten auf CCSD-Niveau zugänglich. Für letztere ist die Berechnung von Einelektroneigenschaften ermöglicht. Diese können zusätzlich auf CCSD-linear response (LR)-Niveau berechnet werden. Anregungsenergien sind ebenfalls auf EOM-EE-CCSDT-Niveau zugänglich. Das Programmpaket basiert auf einer hierarchischen Datentypstruktur, die somit leicht an neue Funktionen anpassbar ist, und nutzt eine "Black-Box"-Kontraktionsroutine, die zum einen eine einfache Umsetzung von Gleichungen in Code ermöglicht und diese zum anderen auch effizient auswertet. Die Anwendbarkeit und Genauigkeit der genannten Methoden im Zusammenhang mit starken Magnetfeldern wird im Vorfeld getestet und mit dem feldfreien Fall verglichen. Nachfolgend werden die Auswirkungen starker Magnetfelder auf die Elektronenstruktur und damit auf die Physik und Chemie entsprechender Systeme untersucht. Ein Schwerpunkt hierbei liegt auf dem symmetrieerniedrigenden Effekt von Magnetfeldern, der zu einer Vielzahl an vermiedenen Kreuzungen zwischen elektronischen Zuständen führt. In diesem Zusammenhang werden Phänomene wie das perpendicular paramagnetic bonding und der Paramagnetismus geschlossenschaliger Moleküle genauer untersucht. Abschließend werden erste Schritte auf dem Weg zur Zuordnung von Spektren magnetischer Weißer Zwerge präsentiert.
In this thesis, a toolbox of methods for the accurate determination of the electronic structure of atoms and molecules in strong magnetic fields has been introduced. To this end, the quantum-chemical program package Qcumbre has been developed. It comprises the first complex-valued EOM-CC implementation allowing for highly accurate calculations to investigate ground and especially excited states of systems in finite magnetic fields. Besides a complex-valued CCSD, CCSD(T), and CCSDT implementation, Qcumbre features the EOM-EE, -SF, -IP, and -EA variants at the CCSD level and can provide one-electron properties for each method. Additionally, a CCSD-LR implementation for one-electron properties has been implemented. Furthermore, excitation energies are also available at the EOM-EE-CCSDT level. The program package provides a data-type infrastructure that is easily adjustable and features a 'black-box' contraction routine allowing for the efficient evaluation of working equations and the simple implementation of new code. The applicability and accuracy of these methods in the context of strong magnetic fields is tested and compared to the field-free case. With this toolbox of highly accurate methods, for the first time, the whole landscape of electronic states including excited states of systems in strong magnetic fields can be explored. This allows for a thorough investigation of how the electronic structure is altered by a magnetic field. Additionally, curious field-induced effects as the perpendicular paramagnetic bonding mechanism mentioned above are explored further and first attempts to assign distinct absorption features in spectra from potentially magnetic white dwarfs are made.
DDC: 540 Chemie
540 Chemistry and allied sciences
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place: Mainz
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-2332
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: in Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent: ii, 178 Seiten
Appears in collections:JGU-Publikationen

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