TY - THES A1 - Vazhappilly, Tijo Joseph T1 - Vibrationally enhanced associative photodesorption of H2 (D2) from Ru(0001) : quantum and classical approaches T1 - Vibrationsgesteigerte assoziative Photodesorptionvon H2 (D2 ) von Ru(0001) : Quantendynamische und klassiche Simulationen N2 - Nowadays, reactions on surfaces are attaining great scientific interest because of their diverse applications. Some well known examples are production of ammonia on metal surfaces for fertilizers and reduction of poisonous gases from automobiles using catalytic converters. More recently, also photoinduced reactions at surfaces, useful, \textit{e.g.}, for photocatalysis, were studied in detail. Often, very short laser pulses are used for this purpose. Some of these reactions are occurring on femtosecond (1 fs=$10^{-15}$ s) time scales since the motion of atoms (which leads to bond breaking and new bond formation) belongs to this time range. This thesis investigates the femtosecond laser induced associative photodesorption of hydrogen, H$_2$, and deuterium, D$_2$, from a ruthenium metal surface. Many interesting features of this reaction were explored by experimentalists: (i) a huge isotope effect in the desorption probability of H$_2$ and D$_2$, (ii) the desorption yield increases non-linearly with the applied visible (vis) laser fluence, and (iii) unequal energy partitioning to different degrees of freedom. These peculiarities are due to the fact that an ultrashort vis pulse creates hot electrons in the metal. These hot electrons then transfer energy to adsorbate vibrations which leads to desorption. In fact, adsorbate vibrations are strongly coupled to metal electrons, \textit{i.e.}, through non-adiabatic couplings. This means that, surfaces introduce additional channels for energy exchange which makes the control of surface reactions more difficult than the control of reactions in the gas phase. In fact, the quantum yield of surface photochemical reactions is often notoriously small. One of the goals of the present thesis is to suggest, on the basis of theoretical simulations, strategies to control/enhance the photodesorption yield of H$_2$ and D$_2$ from Ru(0001). For this purpose, we suggest a \textit{hybrid scheme} to control the reaction, where the adsorbate vibrations are initially excited by an infrared (IR) pulse, prior to the vis pulse. Both \textit{adiabatic} and \textit{non-adiabatic} representations for photoinduced desorption problems are employed here. The \textit{adiabatic} representation is realized within the classical picture using Molecular Dynamics (MD) with electronic frictions. In a quantum mechanical description, \textit{non-adiabatic} representations are employed within open-system density matrix theory. The time evolution of the desorption process is studied using a two-mode reduced dimensionality model with one vibrational coordinate and one translational coordinate of the adsorbate. The ground and excited electronic state potentials, and dipole function for the IR excitation are taken from first principles. The IR driven vibrational excitation of adsorbate modes with moderate efficiency is achieved by (modified) $\pi$-pulses or/and optimal control theory. The fluence dependence of the desorption reaction is computed by including the electronic temperature of the metal calculated from the two-temperature model. Here, our theoretical results show a good agreement with experimental and previous theoretical findings. We then employed the IR+vis strategy in both models. Here, we found that vibrational excitation indeed promotes the desorption of hydrogen and deuterium. To summarize, we conclude that photocontrol of this surface reaction can be achieved by our IR+vis scheme. N2 - Heutzutage werden Reaktionen auf Oberflächen wegen ihrer vielfältigen Anwendungen intensiv untersucht. Einige der bekannten Beispiele sind die Herstellung von Ammoniak auf Metalloberflächen für die Kunstdüngerproduktion und die Reduktion giftiger Abgase in Autokatalysatoren. In letzter Zeit wurden auch photoinduzierte Reaktionen an Oberflächen eingehender untersucht, die z.B. für die Photokatalyse verwandt werden können. Häufig werden in diesen Untersuchungen sehr kurze Laserpulse benutzt. Einige der Reaktionen finden auf einer Femtosekunden-Zeitskala \mbox{(1 fs =10$^{-15}$ s)} statt, da die Bewegungen einzelner Atome in derart kurzen Zeitspannen ablaufen (durch die der Bindungsbruch und das Knüpfen neuer Bindungen verursacht wird). Diese Arbeit untersucht die femtosekunden-laserinduzierte assoziative Photodesorption von Wasserstoff, H$_2$, und Deuterium, D$_2$, von einer Rutheniumoberfläche. Viele interessante Eigenschaften dieser Reaktion wurden in Experimenten entdeckt: (i) ein großer Isotopeneffekt in der Desorptionswahrscheinlichkeit von H$_2$ und D$_2$, (ii) die Desorptionsausbeute steigt nicht-linear mit der (vis) Laserfluenz an und (iii) eine Nicht-Gleichverteilung der Energie auf die einzelnen Freiheitsgrade. Diese Auffälligkeiten sind durch den Umstand verursacht, dass der ultrakurze vis-Laserpuls heiße Elektronen im Metall erzeugt. Die heißen Elektronen transferieren dann Energie in die Schwingungen des Adsorbats, was zur Desorption führt. Tatsächlich sind die Adsorbatschwingungen stark an die Elektronen gekoppelt, nämlich durch nicht-adiabatische Kopplungen. Dies bedeutet, dass durch Oberflächen neue Kanäle für den Energietransfer geöffnet werden, was die Kontrolle von Oberflächenreaktionen im Vergleich zu solchen in der Gasphase erschwert. In der Tat sind die Quantenausbeuten von photochemischen Oberflächenreaktionen bekannterweise klein. Eines der Ziele in der vorliegenden Arbeit ist es auf der Basis von theoretischen Simulationen Strategien vorzuschlagen, um die Photodesorptionsausbeute von H$_2$ und D$_2$ von Ru(0001) zu kontrollieren bzw. zu verbessern. Zu diesem Zweck schlagen wir ein gemischtes Kontrollschema für die Reaktion vor, bei dem zunächst die Adsorbatschwingungen vor dem vis-Puls durch einen infraroten (IR) Puls angeregt werden. Sowohl adiabatische als auch nicht-adiabatische Repräsentationen für photoinduzierte Desorptionsprozesse werden dabei benutzt. Die adiabatische Repräsentation ist in klassischen Molekulardynamik-Simulationen mit elektronischer Reibung verwirklicht. In einer quantenmechanischen Beschreibung werden nicht-adiabatische Repräsentationen innerhalb der Dichtematrixtheorie für offene Quantensysteme verwandt. Die zeitliche Entwicklung des Desorptionsprozesses wird in einem Zwei-Modenmodell reduzierter Dimensionalität mit einer Schwingungs- und einer Translationskoordinate des Adsorbats beschrieben. Die Potentiale für den elektronische Grundzustand und den angeregten Zustand sind abgeleitet aus quantenchemischen Rechnungen (\textsl{first principles}). Die IR-getriebene Schwingungsanregung der Adsorbatmoden mit moderatem Wirkungsgrad wird mit (modifizierten) $\pi$-Pulsen und/oder der Theorie der optimalen Kontrolle erreicht. Die Abhängigkeit der Desorption von der Fluenz wird mit Hilfe der elektronischen Temperatur des Metalls berechnet, welche im Rahmen des Zwei-Temperatur-Modells bestimmt wird. Dabei weisen unsere Ergebnisse eine gute Übereinstimmung mit experimentellen und früheren theoretischen Arbeiten auf. Daraufhin wandten wir die IR+vis Strategie in beiden Modellen an. Dadurch konnten wir zeigen, dass Schwingungsanregung in der Tat die Desorption von Wasserstoff und Deuterium begünstigt. Zusammenfassend stellen wir fest, dass die Photokontrolle dieser Oberflächenreaktion durch unser IR+vis Schema erreichbar ist. KW - Quantendynamische Simulationen KW - Klassiche Simulationen KW - assoziative Photodesorption KW - Schwingungsanregung KW - Photodesorption KW - quantum dynamics KW - classical dynamics KW - vibrational control KW - vibrational excitation Y1 - 2008 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-19056 ER - TY - JOUR A1 - Füchsel, Gernot A1 - Tremblay, Jean Christophe A1 - Klamroth, Tillmann A1 - Saalfrank, Peter T1 - Quantum dynamical simulations of the femtosecond-laser-induced ultrafast desorption of H2 and D2 from Ru(0001) JF - ChemPhysChem : a European journal of chemical physics and physical chemistry N2 - We investigate the recombinative desorption of hydrogen and deuterium from a Ru(0001) surface initiated by femtosecond laser pulses. We adopt a quantum mechanical two-state model including three molecular degrees of freedom to describe the dynamics within the desorption induced by electronic transition (DIET) limit. The energy distributions as well as the state-resolved and ensemble properties of the desorbed molecules are analyzed in detail by using the time-energy method. Our results shed light on the experimentally observed 1) large isotopic effects regarding desorption yields and translational energies and 2) the nonequal energy partitioning into internal and translational modes. In particular, it is shown that a single temperature is sufficient to characterize the energy distributions for all degrees of freedom. Further, we confirm that quantization effects play an important role in the determination of the energy partitioning. KW - quantum dynamics KW - laser chemistry KW - isotope effects KW - surface chemistry KW - ultrafast reactions Y1 - 2013 U6 - https://doi.org/10.1002/cphc.201200940 SN - 1439-4235 VL - 14 IS - 7 SP - 1471 EP - 1478 PB - Wiley-VCH CY - Weinheim ER - TY - THES A1 - Fischer, Eric Wolfgang T1 - Quantum vibrational dynamics in complex environments: from vibrational strong coupling in molecular cavity QED to phonon-induced adsorbate relaxation N2 - Molecules are often naturally embedded in a complex environment. As a consequence, characteristic properties of a molecular subsystem can be substantially altered or new properties emerge due to interactions between molecular and environmental degrees of freedom. The present thesis is concerned with the numerical study of quantum dynamical and stationary properties of molecular vibrational systems embedded in selected complex environments. In the first part, we discuss "strong-coupling" model scenarios for molecular vibrations interacting with few quantized electromagnetic field modes of an optical Fabry-Pérot cavity. We thoroughly elaborate on properties of emerging "vibrational polariton" light-matter hybrid states and examine the relevance of the dipole self-energy. Further, we identify cavity-induced quantum effects and an emergent dynamical resonance in a cavity-altered thermal isomerization model, which lead to significant suppression of thermal reaction rates. Moreover, for a single rovibrating diatomic molecule in an optical cavity, we observe non-adiabatic signatures in dynamics due to "vibro-polaritonic conical intersections" and discuss spectroscopically accessible "rovibro-polaritonic" light-matter hybrid states. In the second part, we study a weakly coupled but numerically challenging quantum mechanical adsorbate-surface model system comprising a few thousand surface modes. We introduce an efficient construction scheme for a "hierarchical effective mode" approach to reduce the number of surface modes in a controlled manner. In combination with the multilayer multiconfigurational time-dependent Hartree (ML-MCTDH) method, we examine the vibrational adsorbate relaxation dynamics from different excited adsorbate states by solving the full non-Markovian system-bath dynamics for the characteristic relaxation time scale. We examine half-lifetime scaling laws from vibrational populations and identify prominent non-Markovian signatures as deviations from Markovian reduced system density matrix theory in vibrational coherences, system-bath entanglement and energy transfer dynamics. In the final part of this thesis, we approach the dynamics and spectroscopy of vibronic model systems at finite temperature by formulating the ML-MCTDH method in the non-stochastic framework of thermofield dynamics. We apply our method to thermally-altered ultrafast internal conversion in the well-known vibronic coupling model of pyrazine. Numerically beneficial representations of multilayer wave functions ("ML-trees") are identified for different temperature regimes, which allow us to access thermal effects on both electronic and vibrational dynamics as well as spectroscopic properties for several pyrazine models. N2 - Moleküle sind für gewöhnlich in komplexe Umgebungen eingebettet. In Folge werden charakteristische Eigenschaften des molekularen Subsystems durch Wechselwirkung mit Umgebungsfreitheitsgraden potentiell deutlich verändert. Die vorliegende Dissertation behandelt die numerische Untersuchung von quantendynamischen und stationären Eigenschaften molekularer Schwingungen unter dem Einfluss ausgewählter komplexer Umgebungen. Im ersten Teil werden stark gekoppelte Modelsysteme betrachtet, die durch Wechselwirkung von molekulare Schwingungen mit wenigen quantisierten, elektromagnetischen Feldmoden einer Fabry-Pérot Kavität realisiert werden. Die Eigenschaften von Schwingungspolaritonen und die Relevanz der Dipolselbstenergie werden im Detail untersucht. Weiterhin werden quantenmechanische Effekte sowie ein dynamisches Resonanzphänomen in einem Modelsystem für thermische Isomerisierung unter dem Einfluss einer Kavität identifiziert, die zu signifikant reduzierten thermischen Reaktionsraten führen. Für ein frei rotierendes, schwingendes CO Molekül in einer Kavität finden sich nicht-adiabatische Signaturen in Form von schwingungspolaritonischen konischen Durchschneidungen sowie spektroskopisch identifizierbaren rovibratorischen Licht-Materie-Hybridzustände. Im zweiten Teil wird ein schwach gekoppeltes, numerisch anspruchsvolles Adsorbat-Oberflächen-Model mit einigen tausend Oberflächenmoden diskutiert. Es wird ein numerisch effizientes Verfahren zur Konstruktion einer Hierarchie effektiver Moden vorgestellt, wodurch die Anzahl an Oberflächenmoden kontrolliert reduziert wird. In Kombination mit der "multilayer multiconfigurational time-dependent Hartree" (ML-MCTDH) Methode, wird der Relaxationsprozess der Adsorbatmode für verschiedene Anfangszustände durch Lösung der nicht-Markovschen System-Bad Dynamik auf der charakteristische Relaxationszeitskala untersucht. Skalierungsgesetze von Halbwertszeiten werden aus Schwingungspopulationen erhalten und prominente nicht-markovsche Signaturen in Schwingungskohärenzen, in System-Bad-Verschränkung und in der Energietransferdynamik werden durch Vergleich mit markovscher reduzierter Dichtematrixtheorie identifiziert. Im letzten Teil wird vibronische Dynamik bei endlichen Temperaturen untersucht und die ML-MCTDH Methode im Rahmen der nicht-stochastischen "Thermofield Theory" formuliert. Der thermisch beeinflusste, ultraschnelle interne Konversionsprozess in Pyrazin wird betrachtet. Numerisch effiziente Darstellungen der ML-MCTDH Wellenfunktionen für verschiedene Temperaturen werden vorgestellt und thermische Effekte auf Dynamik und Spektroskopie werden diskutiert. KW - theoretical chemistry KW - theoretische Chemie KW - quantum dynamics KW - Quantendynamik Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-567214 ER -