Accurate treatment of the electronic structure of atoms and molecules in strong magnetic fields
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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.