Eric Wolfgang Fischer

• 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 anMolecules 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.…
• 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 COMoleküle 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.…