Klasické modely pro přenos excitační energie v molekulárních systémech

• Název práce v češtině: Klasické modely pro přenos excitační energie v molekulárních systémech
• Název v anglickém jazyce: Classical models for excitation energy transfer in molecular systems
• Klíčová slova: otevřené kvantové systémy; redukovaná matice hustoty; kvantová dynamika; klasická mechanika
• Klíčová slova anglicky: open quantum systems; reduced density matrix; quantum dynamics; classical mechanics
• Akademický rok vypsání: 2017/2018
• Typ práce: projekt
• Ústav: Fyzikální ústav UK (32-FUUK)
• Vedoucí / školitel: doc. Mgr. Tomáš Mančal, Ph.D.

Zásady pro vypracování

Implementovat dynamiku klasického systému vázaných kmitů kvadraticky vázaných s jedním nebo několika dalšími vibračními mody. Ujasnit si vzah takového systému s kvantovým elektronovým systémem v interakci s fonony.
Implementovat dynamiku tohoto systému se stochastickým popisem interakce s velkou harmonickou lázní
Provést simulate s různými parametry systému se zaměřením na rezonanční jevy.
Sepsat zprávu popisující výsledky simulací jako podklad pro možnou publikaci ve vědeckém časopise.

Seznam odborné literatury

[1] V. May and O. Kühn, Charge and Energy Transfer Dynamics in Molecular Systems, WILEY-VCH Verlag, Berlin, 2000
[2] L. Valkunas, D. Abramavicius and T. Mancal, Molecular Excitation Dynamics and Relaxation: Quantum Theory and Spectroscopy, WILEY-VCH Verlag, Berlin, 2013
[3] N. Christensson, H. F. Kauffmann, Tonu Pullerits and T. Mancal, Origin of Long Lived Coherences in Light-Harvesting Complexes, J. Phys. Chem. B 116 (2012) 7449

Předběžná náplň práce

Přenos excitační energie v molekulárních systémech je jednou z typických oblastí aplikace teorie otevřených kvantových systémů. Mnohé jevy spojené s tímto procesem jsou ovšem kvantové povahy pouze zdánlivě a lze pro ně formulovat velmi dobrá klasická přiblížení, nebo přinejmenším analogie. Zejména jevy často nazývané např. kvantová delokalizace či kvantová koherence mají jednoduché klasické vysvětlení pokud je správně rozpoznána klasická vlnová povaha přenosu excitační energie v molekulárních agregátech. V této práci se zaměříme na popis jevů delokalizace v důsledku interakce elektronových a vibračních stupňů volnosti s cílem umožnit klasické simulace jevů, které při čistě kvantovém popisu vedou na exponenciální růst počtu nutných stavů s rostoucím počtem stupňů volnosti. Cílem bude nalézt vhodné aproximace uplatnitelné v kvantovém režimu. Modelové výpočty budou prováděny pomocí softwarového balíku Quantarhei (http://github.com/tmancal74/quantarhei). Výstupem práce by mělo být rozšíření open source balíku a publikace v mezinárodním časopise. Projekt je vhodný také jako klasický úvod do teorie otevřených kvantových systémů, zejména do teorie elektron-fononové interakce a pro získání hlubšího porozumění vztahu kvantové a klasické mechaniky.

Předběžná náplň práce v anglickém jazyce

Excitation energy transfer in molecular systems is one of the typical application fields of the theory of open quantum systems. Many phenomena related to this process are however only seemingly of quantum nature, and it is possible to formulate for them very good classical approximations, or at least classical analogies. Especially phenomena, often denoted as quantum delocalization or quantum coherence have very simple classical explanation of their classical wave nature is properly recognized. In this work we will concentrate on description of delocalization as a consequence of interaction of electronic and vibrational degrees of freedom with the aim to enable classical simulations of phenomena whose full purely quantum description requires an exponentially growing number of states with the growing number of degrees of freedom. The aim is to find suitable approximations applicable in the quantum regime. Model calculations will be performed using sotware package Quantarhei (http://github.com/tmancal74/quantarhei). Extension of the software package and a publication of the results in an international journal should be an outcome of this work. This project is also suitable as an entry point to the theory of open quantum systems, theory of electron-phono interaction and deeper understanding of the relation between quantum- and classical mechanics.