Structure and electronic properties of hydrated mesityl oxide: a sequential quantum mechanics/molecular mechanics approach

The hydration of mesityl oxide (MOx) was investigated through a sequential quantum mechanics/molecular mechanics approach. Emphasis was placed on the analysis of the role played by water in the MOx syn-anti equilibrium and the electronic absorption spectrum. Results for the structure of the MOx-water solution, free energy of solvation and polarization effects are also reported. Our main conclusion was that in gas-phase and in low-polarity solvents, the MOx exists dominantly in syn-form and in aqueous solution in anti-form. This conclusion was supported by Gibbs free energy calculations in gas phase and in-water by quantum mechanical calculations with polarizable continuum model and thermodynamic perturbation theory in Monte Carlo simulations using a polarized MOx model. The consideration of the in-water polarization of the MOx is very important to correctly describe the solute-solvent electrostatic interaction. Our best estimate for the shift of the pi-pi* transition energy of MOx, when it changes from gas-phase to water solvent, shows a red-shift of -2,520 +/- 90 cm(-1), which is only 110 cm(-1) (0.014 eV) below the experimental extrapolation of -2,410 +/- 90 cm(-1). This red-shift of around -2,500 cm(-1) can be divided in two distinct and opposite contributions. One contribution is related to the syn -> anti conformational change leading to a blue-shift of similar to 1,700 cm(-1). Other contribution is the solvent effect on the electronic structure of the MOx leading to a red-shift of around -4,200 cm(-1). Additionally, this red-shift caused by the solvent effect on the electronic structure can by composed by approximately 60 % due to the electrostatic bulk effect, 10 % due to the explicit inclusion of the hydrogen-bonded water molecules and 30 % due to the explicit inclusion of the nearest water molecules.

Structural properties and energetics of diffuse Rb-87 clusters in three-dimension

A correlated two-body basis function is used to describe the three-dimensional bosonic clusters interacting via two-body van der Waals potential. We calculate the ground state and the zero orbital angular momentum excited states for Rb-N clusters with up to N = 40. We solve the many-particle Schrodinger equation by potential harmonics expansion method, which keeps all possible two-body correlations in the calculation and determines the lowest effective many-body potential. We study energetics and structural properties for such diffuse clusters both at dimer and tuned scattering length. The motivation of the present study is to investigate the possibility of formation of N-body clusters interacting through the van der Waals interaction. We also compare the system with the well studied He, Ne, and Ar clusters. We also calculate correlation properties and observe the generalised Tjon line for large cluster. We test the validity of the shape-independent potential in the calculation of the ground state energy of such diffuse cluster. These are the first such calculations reported for Rb clusters. (C) 2012 American Institute of Physics. [http://dx.doi.org/10.1063/1.4730972]

Hadronic molecules with both open charm and bottom

With the one-boson-exchange model, we study the interaction between the S-wave D(*)/D-s(*) meson and S-wave B(*)/B-s(*) meson considering the S-D mixing effect. Our calculation indicates that there may exist the B-c-like molecular states. We estimate their masses and list the possible decay modes of these B-c-like molecular states, which may be useful to the future experimental search.

On the Deactivation Mechanisms of Adenine-Thymine Base Pair

In this contribution, the multiconfigurational second-order perturbation theory method based on a complete active space reference wave function (CASSCF/CASPT2) is applied to study all possible single and double proton/hydrogen transfers between the nucleobases in the adenine-thymine (AT) base pair, analyzing the role of excited states with different nature [localized (LE) and charge transfer (CT)] and considering concerted as well as step-wise mechanisms. According to the findings, once the lowest excited states, localized in adenine, are populated during UV irradiation of the Watson-Crick base pair, the proton transfer in the N-O bridge does not require high energy in order to populate a CT state. The latter state will immediately relax toward a crossing with the ground state, which will funnel the system to either the canonical structure or the imino-enol tautomer. The base pair is also capable of repairing itself easily since the imino-enol species is unstable to thermal conversion.

Cyclic Voltammetry and Computational Chemistry Studies on the Evaluation of the Redox Behavior of Parabens and other Analogues

Parabens are antimicrobial preservatives widely used in pharmaceutical, cosmetic and food industries. The alkyl chain connected to the ester group defines some important physicochemical characteristics of these compounds, including the partition coefficient and redox properties. The voltammetric and computational analyses were carried out in order to evaluate the redox behavior of these compounds and other phenolic analogues. A strong correlation between chemical substituents inductive effects of parabens with redox potentials was observed. Using cyclic voltammetry and glassy carbon working electrode, only one irreversible anodic peak was observed around 0.8 V for methylparaben (MP), ethylparaben (EP), propylparaben (PP), butylparaben (BP), benzylparaben (BzP) and p-substituted phenolic analogues. The electrodonating inductive effect of alkyl groups was demonstrated by the anodic oxidation potential shift to lower values as the carbon number increases and, therefore the parabens (and other phenolic analogues) oxidation processes to the quinonoidic forms showed great dependence on the substituent pattern.

Simulative Investigation on the Electronic, Vibrational and Optical Properties of the Ge2Sb2Te5 Chalcogenide

Chalcogenides are chemical compounds with at least one of the following three chemical elements: Sulfur (S), Selenium (Sn), and Tellurium (Te). As opposed to other materials, chalcogenide atomic arrangement can quickly and reversibly inter-change between crystalline, amorphous and liquid phases. Therefore they are also called phase change materials. As a results, chalcogenide thermal, optical, structural, electronic, electrical properties change pronouncedly and significantly with the phase they are in, leading to a host of different applications in different areas. The noticeable optical reflectivity difference between crystalline and amorphous phases has allowed optical storage devices to be made. Their very high thermal conductivity and heat fusion provided remarkable benefits in the frame of thermal energy storage for heating and cooling in residential and commercial buildings. The outstanding resistivity difference between crystalline and amorphous phases led to a significant improvement of solid state storage devices from the power consumption to the re-writability to say nothing of the shrinkability. This work focuses on a better understanding from a simulative stand point of the electronic, vibrational and optical properties for the crystalline phases (hexagonal and faced-centered cubic). The electronic properties are calculated implementing the density functional theory combined with pseudo-potentials, plane waves and the local density approximation. The phonon properties are computed using the density functional perturbation theory. The phonon dispersion and spectrum are calculated using the density functional perturbation theory. As it relates to the optical constants, the real part dielectric function is calculated through the Drude-Lorentz expression. The imaginary part results from the real part through the Kramers-Kronig transformation. The refractive index, the extinctive and absorption coefficients are analytically calculated from the dielectric function. The transmission and reflection coefficients are calculated using the Fresnel equations. All calculated optical constants compare well the experimental ones.

Messung des Verzweigungsverhältnisses des seltenen Zerfalls Ks -> gamma gamma mit dem NA48-Detektor

Die Daten, die im Jahr 2000 mit dem NA48-Detektoraufgenommen wurden,werden in dieser Arbeit dazuverwendet, das Verzweigungsverhältnis des ZerfallsK_s -> gamma gamma zu bestimmen.Zur Reduktion der Unsicherheit auf diese Messungwurde ausserdem das Verhältnis der Zerfallsbreitender Zerfälle K_l -> gamma gamma undK_l -> 3 pi^0:Gamma(K_l -> gamma gamma)/Gamma(K_l -> 3 pi^0)gemessen. Für das Verzweigungsverhältnis vonK_s -> gamma gamma existiert eine eindeutige undendliche Vorhersage in der Ordnung O(p^4) derChiralen Störungstheorie (CHPT) vonBR(K_s -> gamma gamma)(O(p^4)) = (2,1 +- 0,1)x10^(-6).Alle bisherigen Messungen befanden sich in guterÜbereinstimmung mit dieser Vorhersage.Die Ergebnisse der für diese Arbeit durchgeführten Analyse lauten:

Spin-Restricted Coupled-Cluster-Theorie fuer offenschalige Zustaende

Spin-Restricted Coupled-Cluster-Theorie fuer offenschaligeZustaende Die Berechnung von Energien und Eigenschaften offenschaligerAtome undMolekuele mit Hilfe der hochgenauenCoupled-Cluster-(CC)-Theoriewar bisher mit einem - im Vergleich zur BerechnunggeschlossenschaligerZustaende - erhoehten Rechenaufwand und der sogenannten'Spinkontamination' behaftet. Um diesen Problemenentgegenzuwirken,stellten P.G.Szalay und J.Gauss die 'Spin-RestrictedCoupled-Cluster-Theorie' vor. Im Rahmen dieser Arbeit wird die urspruenglich aufDublett-Zustaendebeschraenkte Theorie so verallgemeinert, dass jederbeliebige Spinzustandmit einem einheitlichen Satz von Gleichungen beschriebenwerden kann. Dadie Moller-Plesset-(MP)-Stoerungstheorie bei der BerechnungoffenschaligerZustaende mit aehnlichen Problemen behaftet ist, wirddarueberhinaus dieSpin-Restricted-(SR)-MP-Stoerungstheorie zweiter und dritterOrdnungeingefuehrt. Um Molekueleigenschaften berechnen zu koennen,werdenanalytische Ableitungen der Energie sowohl fuer den SR-CC-als auch denSR-MP-Ansatz hergeleitet. Bei den folgenden Testrechnungenstellt sichheraus, dass sowohl SR-CC- als auch SR-MP-Ansaetze diegleiche Genauigkeitbieten wie konventionelle CC- und MP-Ansaetze. Dabei sinddieSpinerwartungswerte der SR-CC-Wellenfunktionen identisch mitdem exaktenWert. Im Rahmen der Testrechnungen stellt sich heraus, dassder SR-CC-Ansatz nicht 'size-konsistent', der numerische Fehler abervernachlaessigbar klein ist. Abschliessend werden dieHintergruende derfehlenden 'Size-Konsistenz' diskutiert.

Untersuchungen zur Strahldynamik am Mainzer Mikrotron

Diese Arbeit untersucht die longitudinale und transversaleStrahldynamik am Mainzer Mikrotron MAMI. Die gemessenen Abbildungseigenschaften werden mit den Design-Rechnungen verglichen. Dadurch konnte die Strahlqualitaet von MAMI B und das Design der neuen HDSM Mikrotronstufe verbessert werden. Es wurde eine Stoerungsrechnung formuliert, um die 6-DAbbildungsmatrix entlang der Beschleunigungsstrecke zu berechnen. Ausgehend von der linearisierten Hamilton Funktion wird die Transfermatrix M in eine unendliche Summe ueber Matrizen M(n) zerlegt, die jeweils eine n-fache Wechselwirkung des Strahls mit dem Quadrupolanteil des Fuehrungsfeldes darstellen. Dank des tieferen Einblicks in die Auswirkung von Feldfehlern konnte damit das Mikrotron-Modell leicht an die gemessenen Transfermatrizen angepasst werden. Ferner wurde die Identifizierung und Korrektur anti-symmetrischer Feldfehler in den Mikrotron-Dipolen untersucht. Es wurde ein Messverfahren entwickelt, um kleine Feldkomponenten in der Bahnebene von der Groessenordnung 10E-3 zu erkennen. Das vorgeschlagene Verfahren wurde mit Hilfe des Simulationsprogramms TOSCA ausgetestet. Schliesslich wurde die Stabilitaet der Longitudinaloptik verbessert. Dadurch konnte eine hochpraezise Energiestabi-lisierung verwirklicht werden. Bei 855 MeV Strahlenergie wird eine Stabilitaet von etwa 10E-6 erreicht.

Monte-Carlo-Simulationen zum Phasen- und Keimbildungsverhalten von Polymerlösungen

Das Phasenverhalten und die Grenzflächeneigenschaften vonPolymeren in superkritischer Lösung werden anhand einesvergröberten Kugel-Feder-Modells für das ReferenzsystemHexadekan-CO2 untersucht. Zur Bestimmung der Parameter imPotential setzt man die kritischen Punkte von Simulation undExperiment gleich. Wechselwirkungen zwischen beidenKomponenten werden durch eine modifizierteLorentz-Berthelot-Regel modelliert. Die Übereinstimmung mitden Experimenten ist sehr gut - insbesondere kann dasPhasendiagramm des Mischsystems inklusive kritischer Linienreproduziert werden. Ein Vergleich mit numerischenStörungsrechnungen (TPT1) liefert eine qualitativeÜbereinstimmung und Hinweise zur Verbesserung derverwendeten Zustandsgleichung. Aufbauend auf diesen Betrachtungen werden die Frühstadiender Keimbildung untersucht. Für das Lennard-Jones-Systemwird zum ersten Mal der Übergang vom homogenen Gas zu einemeinzelnen Tropfen im endlichen Volumen direkt nachgewiesenund quantifiziert. Die freie Energie von kleinen Clusternwird mit einem einfachen, klassischen Nukleationsmodellbestimmt und nach oben abgeschätzt. Die vorgestellten Untersuchungen wurden durch eineWeiterentwicklung des Umbrella-Sampling-Algorithmusermöglicht. Hierbei wird die Simulation in mehrereSimulationsfenster unterteilt, die nacheinander abgearbeitetwerden. Die Methode erlaubt eine Bestimmung derFreien-Energie-Landschaft an einer beliebigen Stelle desPhasendiagramms. Der Fehler ist kontrollierbar undunabhängig von der Art der Unterteilung.

Comparison of model potentials for molecular dynamics simulation of crystalline silica

Simulationen von SiO2 mit dem von van Beest, Kramer und vanSanten (BKS) entwickelten Paarpotenzial erzeugen vielezufriedenstellende Ergebnisse, aber auch charakteristischeSchwachstellen. In dieser Arbeit wird das BKS-Potenzial mitzwei kürzlich vorgeschlagenen Potenzialen verglichen, dieeffektiv Mehrteilchen-Wechselwirkungen beinhalten. Der ersteAnsatz erlaubt dazu fluktuierende Ladungen, der zweiteinduzierbare Polarisierungen auf den Sauerstoffatomen. Die untersuchten Schwachstellen des BKS Potenzialsbeinhalten das Verhältnis der zwei Gitterkonstanten a und cim Quarzübergang, das von BKS falsch beschrieben wird.Cristobalit und Tridymit erscheinen instabil mit BKS.Weiterhin zeigt die BKS-Zustandsdichte charakteristischeAbweichungen von der wahren Zustandsdichte. DerÜbergangsdruck für den Stishovit I-II Übergang wird deutlichüberschätzt. Das Fluktuierende-Ladungs-Modell verbesserteinige der genannten Punkte, reproduziert aber viele andereEigenschaften schlechter als BKS. DasFluktierende-Dipol-Modell dagegen behebt alle genanntenArtefakte. Zusätzlich wird der druckinduzierte Phasenübergang imalpha-Quarz untersucht. Alle Potentiale finden die selbeStruktur für Quarz II. Bei anschliessender Dekompressionerzeugt BKS eine weitere Phase, während die beiden anderenPotentiale wieder zum alpha-Quarz zurückkehren. Weiterhinwerden zwei Methoden entwickelt, um die piezoelektrischenKonstanten bei konstantem Druck zu bestimmen. Die Ergebnissegeben Hinweise auf eine möglicherweisenicht-elektrostatische Natur der Polarisierungen imFluktuierende-Dipole-Modell. Mit dieser Interpretation scheint das Fluktuierende-DipolPotential alle verfügbaren experimentellen Daten am bestenvon allen drei untersuchten Ansätzen zu reproduzieren.

The massless two-loop two-point function and zeta functions in counterterms of Feynman diagrams

The main part of this thesis describes a method of calculating the massless two-loop two-point function which allows expanding the integral up to an arbitrary order in the dimensional regularization parameter epsilon by rewriting it as a double Mellin-Barnes integral. Closing the contour and collecting the residues then transforms this integral into a form that enables us to utilize S. Weinzierl's computer library nestedsums. We could show that multiple zeta values and rational numbers are sufficient for expanding the massless two-loop two-point function to all orders in epsilon. We then use the Hopf algebra of Feynman diagrams and its antipode, to investigate the appearance of Riemann's zeta function in counterterms of Feynman diagrams in massless Yukawa theory and massless QED. The class of Feynman diagrams we consider consists of graphs built from primitive one-loop diagrams and the non-planar vertex correction, where the vertex corrections only depend on one external momentum. We showed the absence of powers of pi in the counterterms of the non-planar vertex correction and diagrams built by shuffling it with the one-loop vertex correction. We also found the invariance of some coefficients of zeta functions under a change of momentum flow through these vertex corrections.

Pi +-Elektroproduktion an der Schwelle

Die Messung der Elektroproduktion geladener Pionen in der Nähe der Produktionsschwelle ermöglicht die Bestimmung des axialen Formfaktors des Nukleons G_A(Q²) und aus seinem Verlauf die Extraktion der axialen Masse M_A. Diese Größe kann im Rahmen der chiralen Störungstheorie vorhergesagt werden, so daß ihre experimentelle Bestimmung eine Überprüfung der theoretischen Beschreibung des Nukleons erlaubt. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die bereits am Institut für Kernphysik der Universität Mainz in der A1-Kollaboration durchgeführten Messungen der Reaktion H(e,e'Pi+)n bei einer Schwerpunktsenergie von W = 1125 MeV und einem Vierer- impulsübertrag Q² von 0.117, 0.195 und 0.273 (GeV/c)² durch eine weitere Messung bei Q² = 0.058 (GeV/c)² ergänzt. In einer zweiten Meßperiode wurden zusätzlich die Messungen für die Q²-Werte von 0.117 und 0.195 (GeV/c)² wiederholt. Für alle Q²-Werte wurden Daten bei mindestens drei verschiedenen Werten der Polarisation des virtuellen Photons genommen, so daß für alle Messungen eine Rosenbluthseparation durchgeführt werden konnte, um den transversalen und den longitudinalen Anteil des Wirkungsquerschnitts zu bestimmen. Das Ergebnis für Q² = 0.195 (GeV/c)² stimmt im Rahmen der Fehler mit dem alten Ergebnis überein, für Q² = 0.117 (GeV/c)² ergibt sich eine deutliche Abweichung des longitudinalen Anteils. Das Ergebnis für Q² = 0.058 (GeV/c)² liegt unter der aus den alten Messungen gewonnenen Vorhersage. Der induzierte pseudoskalare Formfaktor des Nukleons G_P(Q²) kann ebenfalls in der Pionelektroproduktion bestimmt werden, wenn die Messung bei einer Schwerpunktsenergie nur wenige MeV über der Produktionsschwelle stattfindet. Eine solche Messung erfordert den Nachweis von Pionen mit kinetischen Energien unter 35 MeV, für den die in der A1-Kollaboration vorhandenen Spektrometer nicht geeignet sind. Im apparativen Teil der Arbeit wurde daher ein Szintillatorhodoskop für ein dediziertes Pionspektrometer mit kurzer Weglänge gebaut und getestet. Außerdem wurden für dieses sogenannte Short-Orbit-Spektrometer drei Kollimatoren entworfen und eingebaut.

Strongly correlated quantum gases in one dimension

In this work, we discuss some theoretical topics related to many-body physics in ultracold atomic and molecular gases. First, we present a comparison between experimental data and theoretical predictions in the context of quantum emulator of quantum field theories, finding good results which supports the efficiency of such simulators. In the second and third parts, we investigate several many-body properties of atomic and molecular gases confined in one dimension.

Numerical and analytical approaches to strongly correlated electron systems

In this thesis we consider three different models for strongly correlated electrons, namely a multi-band Hubbard model as well as the spinless Falicov-Kimball model, both with a semi-elliptical density of states in the limit of infinite dimensions d, and the attractive Hubbard model on a square lattice in d=2. In the first part, we study a two-band Hubbard model with unequal bandwidths and anisotropic Hund's rule coupling (J_z-model) in the limit of infinite dimensions within the dynamical mean-field theory (DMFT). Here, the DMFT impurity problem is solved with the use of quantum Monte Carlo (QMC) simulations. Our main result is that the J_z-model describes the occurrence of an orbital-selective Mott transition (OSMT), in contrast to earlier findings. We investigate the model with a high-precision DMFT algorithm, which was developed as part of this thesis and which supplements QMC with a high-frequency expansion of the self-energy. The main advantage of this scheme is the extraordinary accuracy of the numerical solutions, which can be obtained already with moderate computational effort, so that studies of multi-orbital systems within the DMFT+QMC are strongly improved. We also found that a suitably defined Falicov-Kimball (FK) model exhibits an OSMT, revealing the close connection of the Falicov-Kimball physics to the J_z-model in the OSM phase. In the second part of this thesis we study the attractive Hubbard model in two spatial dimensions within second-order self-consistent perturbation theory. This model is considered on a square lattice at finite doping and at low temperatures. Our main result is that the predictions of first-order perturbation theory (Hartree-Fock approximation) are renormalized by a factor of the order of unity even at arbitrarily weak interaction (U->0). The renormalization factor q can be evaluated as a function of the filling n for 00, the q-factor vanishes, signaling the divergence of self-consistent perturbation theory in this limit. Thus we present the first asymptotically exact results at weak-coupling for the negative-U Hubbard model in d=2 at finite doping.