Srovnání poruchových a neporuchových přístupů k teorii optické spektroskopie

• Thesis title in Czech: Srovnání poruchových a neporuchových přístupů k teorii optické spektroskopie
• Thesis title in English: Comparison of perturbative and non-perturbative approaches ; to optical spectroscopy
• Academic year of topic announcement: 2015/2016
• Thesis type: diploma thesis
• Department: Institute of Physics of Charles University (32-FUUK)
• Supervisor: doc. Mgr. Tomáš Mančal, Ph.D.

Guidelines

1. Prostudovat odbornou literaturu k tématu
2. Sepsat podrobnou rešerši
3. Osvojit si teoretický popis molekulárních systémů v interakci s okolím
4. Zvládnout metody teoretického popisu nelineárních optických experimentů a jejich interpretace
5. Osvojit si práci se simulačním softwarem a aktivně se podílet na jeho rozšíření
6. Simulovat optická sperktra vybraných modelových systémů
7. Provést diskusi vhodnosti neporuchových metod k výpočtům optických spekter molekulárních systémů

References

[1] S. Mukamel, Principles of Nonlinear Spectroscopy, Oxford University Press, Oxford, 1995
[2] V. May and O. Kuhn, Charge and Energy Transfer Dynamics in Molecular Systems, Wiley-VCH, Berlin, 2000
[3] T. Mancal, A. V. Pisliakov and G. R. Fleming, J. Chem. Phys. 124 (2006) 234504
[4] T. Brixner, T. Mancal, I. V. Stiopkin and G. R. Fleming, J. Chem. Phys. 121 (2004) 4221
[5] L. Seidner, G. Stock, and W. Domcke, J. Chem. Phys. 103 (1995) 3998
a další původní práce.

Preliminary scope of work

Viditelná a infračervená spektroskopie umožňují zkoumat velmi rychlé procesy přenosu náboje a energie v přírodních i umělých molekulárních systémech a jsou často jediným přímým zdrojen našich informací o funkci těchto systémů. Tradiční přístup k výpočtu spekter je poruchový. Časově závislá poruchová teorie umožňuje kromě samotného výpočtu spekter také roztřídit spektroskopické metody podle řádu poruchy a poskytuje přirozený nástroj pro analýzu elementárních procesů spojených s excitací molekulárních systémů. Aplikace poruchových metod na velké systémy a na systémy s velkou hustotou mobilních excitací je však značně obtížná. Proto se v poslední době objevilo v literatuře několik příbuzných neporuchových metod, které některé problémy poruchových metod odstraňují. Úkolem této diplomové práce je implementace jedné z neporuchových metod pro výpočet nelineárních optických spekter a porovnání jejích výsledků s tradičním poruchovým výpočtem na jednoduchém modelovém systému. Dále je úkolem diskutovat porovnatelnost těchto metod na složitějších systémech a uplatnit neporuchovou metodu na výpočet koherentních foton-echo spekter uhlíkových nanotrubek, které se vyznačují rychlou anihilací excitonů. K simulacím poruchovou metodou bude použit existující simulační software a neporuchová metoda bude implementována v rámci tohoto softwaru. Řešitel bude systematicky uveden do teorie optické spektroskopie, dynamiky otevřených kvantových systémů a příslušných partií pokročilé statistické fyziky a kvantové mechaniky. Předpokládá se, že řešitel absolvoval kurs kvantové mechaniky a statistické fyziky, kvantová teorie molekul je výhodou. Řešitel by měl být schopen programovat v některém programovacím jazyce - práce na simulačním programu vyžaduje Fortran 95 a Tcl. Pro čtení původní literatury je třeba alespoň pasivní znalost angličtiny. Předpokládá se, že výsledky této práce budou publikovány v odborném časopise. Zájemci o bližší informace nechť mě kontaktují na: [e-mail]

Preliminary scope of work in English

Visible and infra-red spectroscopy enable us to study ultra-fast processes of charge and energy transfer in natural and artificial molecular systems and are often our only direct source of information about their function. Traditional approch to the calculation of spectra is perturbative. Time-dependent perturbation theory enables not only to calculate spectrum, but also categorize the spectroscopic methods according to the order of perturbation and provides a natural tool for analysis of elementary excitation processes in molecular systems. However, application of perturbative methods on large systems and systems with large density of mobile excitations is very difficult. Therefore, several related non-perturbative methods emerged recently, that overcome some of the problems of perturbative methods. The goal of this work is to implement one of the non-perturbative methods for the calculation of non-linear optical spectra and compare its results to the traditional perturbative calculation on a simple model system. Futher, the goal is to discuss the feasibility of such a comparison for more complicated systems and to apply the non-perturbaive method to a calculation of coherent photon echo spectra of carbon nanotubes that exhibit fast exciton anihilation. For simulations by perturbative method, an existing simulation software will be used and the non-perturbative method will be implemented within this software. The student will be provided with a systematic introduction into the theory of optical spectroscopy, dynamics of open quantum systems and corresponding parts of advanced statistical physics and quantum mechanics. Basic course of quantum mechanics and statistical physics is assumed, quantum theory of molecules is an advantage. The student should be capable of programming in some programming language - the work on the simulation program requires Fortran 95 and Tcl. For reading of original literature, at least passive knowledge of English is necessary. It is assumed that the results of this work will be published in a scientific journal. For more information contact me at: [e-mail]