Fluoreszenzspektroskopische Untersuchung von quantenmechanischen Interferenzeffekten am Xenon-Atom und an zweiatomigen Molekülen nach monochromatischer Anregung mit Synchrotronstrahlung

Mit der Methode der photoneninduzierten Fluoreszenzspektroskopie (PIFS) wurden spektro- und polarimetrische Fluoreszenzspektren des Xenon-Atoms und der NO- und CO-Moleküle untersucht. Im Bereich der Atomphysik konnten für das Xenon-Atom eindeutige Fluoreszenzkaskadeneffekte vom sichtbaren (VIS) in den vakuumultravioleten (VUV) Spektralbereich beobachtet werden. Das untersuchte Energieintervall zeichnete sich durch 15 gefundene Resonanzen entlang der Anregungsenergieachse der Synchrotronphotonen aus, die auf doppeltangeregte nln′l′-Resonanzen zurückgeführt werden konnten. Im Bereich der Molekülphysik wurden Messdaten der NO A 1Π → X 1Σ+- und CO A 2Π → X 2Σ+-Fluoreszenz nach der Anregung der 1s−1 → 2π-Resonanz untersucht. Durch polarimetrische Untersuchungen konnten in beiden Fällen die Winkelanisotropieparameter β(ω) der Fluoreszenz ermittelt werden und mit ab initio Berechnungen mit unterschiedlichen theoretischen Näherungen vergleichen werden. Der Einfluss quantenmechanischer Interferenzeffekte (LVI und ESI) auf die Winkelanisotropieparameter wurde aufgezeigt. Im Falle des NO- und des CO-Moleküls konnte eine sehr gute Übereinstimmung zwischen der Theorie und dem Experiment nachgewiesen werden. Durch Pioniermessungen an Diamantoiden konnte erstmalig dispergierte Lumineszenz der kleinsten Vertreter der Nanodiamanten nachgewiesen werden. Diese Messungen legen eine Grundlage für eine systematische Erforschung der Nanokristalle zugrunde.

Excitation of Phonons in Solids and Nanostructures by Intense Laser and XUV Pulses and by Low Energy Atomic Collision

Intensive, ultrakurze Laserpulse regen Festkörper in einen Zustand an, in dem die Elektronen hohe Temperaturen erlangen, während das Gitter kalt bleibt. Die heißen Elektronen beeinflussen das sog. Laser-angeregte interatomare Potential bzw. die Potentialenergiefläche, auf der die Ionen sich bewegen. Dieses kann neben anderen ultrakurzen Prozessen zu Änderungen der Phononfrequenzen (phonon softening oder phonon hardening) führen. Viele ultrakurze strukturelle Phänomene in Festkörpern hängen bei hohen Laseranregungen von Änderungen der Phononfrequenzen bei niedrigeren Anregungen ab. Um die Laser-bedingten Änderungen des Phononenspektrums von Festkörpern beschreiben zu können, haben wir ein auf Temperatur-abhängiger Dichtefunktionaltheorie basierendes Verfahren entwickelt. Die dramatischen Änderungen nach einer Laseranregung in der Potentialenergiefläche werden durch die starke Veränderung der Zustandsdichte und der Besetzungen der Elektronen hervorgerufen. Diese Änderungen in der Zustandsdichte und den Besetzungszahlen können wir mit unserer Methode berechnen, um dann damit das Verhalten der Phononen nach einer Laseranregung zu analysieren. Auf diese Art und Weise studierten wir den Einfluss einer Anregung mit einem intensiven, ultrakurzen Laserpuls auf repräsentative Phonon Eigenmoden in Magnesium, Kupfer und Aluminium. Wir stellten dabei in manchen Gitterschwingungen entweder eine Abnahme (softening) und in anderen eine Zunahme (hardening) der Eigenfrequenz fest. Manche Moden zeigten bei Variation der Laseranregungsstärke sogar beide Verhaltensweisen. Das eine Phonon-Eigenmode ein hardening und softening zeigen kann, wird durch das Vorhandensein von van Hove Singularitäten in der elektronischen Zustandsdichte des betrachteten Materials erklärt. Für diesen Fall stellt unser Verfahren zusammen mit der Sommerfeld-Entwicklung die Eigenschaften der Festkörper Vibrationen in Verbindung mit den Laser induzierten Veränderungen in den elektronischen Besetzungen für verschiedene Phonon-eingefrorene Atomkonfigurationen. Auch die absolute Größe des softening und hardening wurde berechnet. Wir nehmen an, dass unsere Theorie Licht in die Effekte der Laseranregung von verschiedenen Materialien bringt. Außerdem studierten wir mit Hilfe von Dichtefunktionaltheorie die strukturellen Material-Eigenschaften, die durch kurze XUV Pulse induziert werden. Warme dichte Materie in Ultrakurzpuls angeregten Magnesium wurde analysiert und verglichen mit den Ergebnissen bei durch Laser Anregung bedingten Änderungen. Unter Verwendung von elektronischer-Temperatur-abhängiger Dichtefunktionaltheorie wurden die Änderungen in den Bindungseigenschaften von warmen dichten Magnesium studiert. Wir stellten dabei beide Effekte, Verstärkung und Abschwächung von Bindungen, bei jeweils verschiedenen Phonon Eigenmoden von Magnesium auf Grund von der Erzeugung von Rumpflöchern und dem Vorhandensein von heißen Elektronen fest. Die zusätzliche Erzeugung von heißen Elektronen führt zu einer Änderung der Bindungscharakteristik, die der Änderung, die durch die bereits vorhandenen Rumpflöcher hervorgerufen wurde, entgegen wirkt. Die thermischen Eigenschaften von Nanostrukturen sind teilweise sehr wichtig für elektronische Bauteile. Wir studierten hier ebenfalls den Effekt einer einzelnen Graphen Lage auf Kupfer. Dazu untersuchten wir mit Dichtefunktionaltheorie die strukturellen- und Schwingungseigenschaften von Graphen auf einem Kupfer Substrat. Wir zeigen, dass die schwache Wechselwirkung zwischen Graphen und Kupfer die Frequenz der aus der Ebene gerichteten akustischen Phonon Eigenmode anhebt und die Entartung zwischen den aus der Ebene gerichteten akustischen und optischen Phononen im K-Punkt des Graphen Spektrums aufhebt. Zusätzlich führten wir ab initio Berechnungen zur inelastischen Streuung eines Helium Atoms mit Graphen auf einem Kuper(111) Substrat durch. Wir berechneten dazu das Leistungsspektrum, das uns eine Idee über die verschiedenen Gitterschwingungen des Graphene-Kuper(111) Systems gibt, die durch die Kollision des Helium Atom angeregt werden. Wir brachten die Positionen der Peaks im Leistungsspektrum mit den Phonon Eigenfrequenzen, die wir aus den statischen Rechnungen erhalten haben, in Beziehung. Unsere Ergebnisse werden auch verglichen mit den Ergebnissen experimenteller Daten zur Helium Streuung an Graphen-Kupfer(111) Oberflächen.

C-H···O H-bonded complexes: how does basis set superposition error change their potential-energy surfaces?

Geometries, vibrational frequencies, and interaction energies of the CNH⋯O3 and HCCH⋯O3 complexes are calculated in a counterpoise-corrected (CP-corrected) potential-energy surface (PES) that corrects for the basis set superposition error (BSSE). Ab initio calculations are performed at the Hartree-Fock (HF) and second-order Møller-Plesset (MP2) levels, using the 6-31G(d,p) and D95++(d,p) basis sets. Interaction energies are presented including corrections for zero-point vibrational energy (ZPVE) and thermal correction to enthalpy at 298 K. The CP-corrected and conventional PES are compared; the unconnected PES obtained using the larger basis set including diffuse functions exhibits a double well shape, whereas use of the 6-31G(d,p) basis set leads to a flat single-well profile. The CP-corrected PES has always a multiple-well shape. In particular, it is shown that the CP-corrected PES using the smaller basis set is qualitatively analogous to that obtained with the larger basis sets, so the CP method becomes useful to correctly describe large systems, where the use of small basis sets may be necessary

Charge transfer in DNA: hole charge is confined to a single base pair due to solvation effects

We include solvation effects in tight-binding Hamiltonians for hole states in DNA. The corresponding linear-response parameters are derived from accurate estimates of solvation energy calculated for several hole charge distributions in DNA stacks. Two models are considered: (A) the correction to a diagonal Hamiltonian matrix element depends only on the charge localized on the corresponding site and (B) in addition to this term, the reaction field due to adjacent base pairs is accounted for. We show that both schemes give very similar results. The effects of the polar medium on the hole distribution in DNA are studied. We conclude that the effects of polar surroundings essentially suppress charge delocalization in DNA, and hole states in (GC)n sequences are localized on individual guanines

Systematic studies on 3d-3d and 3d-4f multimetallic complexes with interesting magnetic and/or luminescent properties

324 p.

Equatorial waves in the lower stratosphere. I: A novel detection method

Wavenumber-frequency spectral analysis and linear wave theory are combined in a novel method to quantitatively estimate equatorial wave activity in the tropical lower stratosphere. The method requires temperature and velocity observations that are regularly spaced in latitude, longitude and time; it is therefore applied to the ECMWF 15-year re-analysis dataset (ERA-15). Signals consistent with idealized Kelvin and Rossby-gravity waves are found at wavenumbers and frequencies in agreement with previous studies. When averaged over 1981-93, the Kelvin wave explains approximately 1 K-2 of temperature variance on the equator at 100 hPa, while the Rossby-gravity wave explains approximately 1 m(2)s(-2) of meridional wind variance. Some inertio-gravity wave and equatorial Rossby wave signals are also found; however the resolution of ERA-15 is not sufficient for the method to provide an accurate climatology of waves with high meridional structure.

A thermally stable tension meter for atmospheric soundings using kites

Kites offer considerable potential as wind speed sensors—a role distinct from their traditional use as instrument-carrying platforms. In the sensor role, wind speed is measured by kite-line tension. A kite tether line tension meter is described here, using strain gauges mounted on an aluminum ring in a Wheatstone bridge electronic circuit. It exhibits a linear response to tension 19.5 mV N−1 with good thermal stability mean drift of −0.18 N °C−1 over 5–45 °C temperature range and a rapid time response 0.2 s or better. Field comparisons of tether line tension for a Rokkaku kite with a fixed tower sonic anemometer show an approximately linear tension-wind speed relationship over the range 1–6 ms−1. © 2010 American Institute of Physics. doi:10.1063/1.3465560

Harmonic force fields from scaled SCF calculations: Program ASYM40

We report an extended version of our normal coordinate program ASYM40, which may be used to transform Cartesian force constants from ab initio calculations to a force field in nonredundant internal (symmetry) coordinates. When experimental data are available, scale factors for the theoretical force field may then be optimized by least-squares refinement. The alternative of refining an empirical force field to fit a wide variety of data, as with the previous version ASYM20, has been retained. We compare the results of least-squares refinement of the full harmonic force field with least-squares refinement of only the scale factors for an SCF calculated force field and conclude that the latter approach may be useful for large molecules where more sophisticated calculations are impractical. The refinement of scale factors for a theoretical force field is also useful when there are only limited spectroscopic data. The program will accept ab initio calculated force fields from any program that presents Cartesian force constants as output. The program is available through Quantum Chemistry Program Exchange.

A refined quartic forcefield for acetylene: accurate calculation of the vibrational spectrum

It is now possible to calculate the nine-dimensional rovibrational wavefunctions of sequentially bonded four-atom molecules variationally without dynamical approximation. In the case of HCCH, the simplest such molecule, many hundreds of rovibrational (J = 0, 1, 2) levels can be converged to better than 1.5 cm −1. Variational calculations of this kind are used here systematically to refine the well-known quartic valence-coordinate forcefleld of Strey and Mills [J.Mol. Spectrosc.59, 103-115 (1976)] against experimental term values up to three C-H stretch quanta for the principal and two deuterated isotopomers, yielding a new surface that reproduces the energies of all the known Σ, Π, and Δ states of these species up to the energy of two C-H stretch quanta with an rms error of 3 cm−1 . The refined forcefield is used to study the resonances associated with the accidental degeneracies (ν2 + ν4 + ν5, ν3) and (ν2 + 2ν5, ν1) in the principal isotopomer, leading to a clarification of the assignment of she experimentally detected states in the 2ν3 and 3ν3, polyads, and to the finding that vibrational Coriolis (kinetic energy) terms, rather than quartic anharmonicities in the potential, are the primary cause of the resonant interactions. Using a new cubic ab initio electric dipole field to calculate IR absorption coefficients, 24 undetected Σ and Π states of 1H12C12C1H and 5 undetected Σ states of D12C12CD are identified as candidates for experimental study, and their calculated energies and assignments are given.

A potential energy surface for the ground state of acetylene, C2H2

A potential energy function has been derived for the ground state surface of C2H2 as a many-body expansion. The 2- and 3-body terms have been obtained by preliminary investigation of the ground state surfaces of CH2( 3B1) and C2H( 2Σ+). A 4-body term has been derived which reproduces the energy, geometry and harmonic force field of C2H2. The potential has a secondary minimum corresponding to the vinylidene structure and the geometry and energy of this are in close agreement with predictions from ab initio calculations. The saddle point for the HCCH-H2CC rearrangement is predicted to lie 2•530 eV above the acetylene minimum.

Nitrous acid: vibrational frequency shifts due to 15N substitution, and the harmonic force field

Vibration rotation spectra of HO15 NO and DO15 NO have been measured at a resolution of 0•04 cm-1 to determine the isotopic shifts in the vibrational band origins. These have been used together with recently determined data on the vibrational band origins, Coriolis constants, and centrifugal distorition constants, to determine the harmonic force field of both cis and trans nitrous acid in least squares refinement calculations. The results are discussed in relation to recent ab initio calculations, the inertia defects, and the torsional potential function.

A potential energy surface for the ground state of formaldehyde, H2CO(1A1)

A model potential energy function for the ground state of H2CO has been derived which covers the whole space of the six internal coordinates. This potential reproduces the experimental energy, geometry and quadratic force field of formaldehyde, and dissociates correctly to all possible atom, diatom and triatom fragments. Thus there are good reasons for believing it to be close to the true potential energy surface except in regions where both hydrogen atoms are close to the oxygen. It leads to the prediction that there should be a metastable singlet hydroxycarbene HCOH which has a planar trans structure and an energy of 2•31 eV above that of equilibrium formaldehyde. The reaction path for dissociation into H2 + CO is predicted to pass through a low symmetry transition state with an activation energy of 4•8 eV. Both of these predictions are in good agreement with recently published ab initio calculations.

Analytical functions for the ground state potential surfaces of C3 (X 1 Σ g+) and HCN (X 1 Σ +)

Analytic functions have been obtained to represent the potential energy surfaces of C3 and HCN in their ground electronic states. These functions closely reproduce the available data on the energy, geometry, and force constants in all stable conformations, as well as data on the various dissociation products, and ab initio calculations of the energy at other conformations. The form of the resulting surfaces are portrayed in various ways and discussed briefly.

Calculated rotational and rovibrational spectra of D2S and HDS

Rovibrational energy levels, transition frequencies, and linestrengths are computed variationally for the sulfur hydrides D2S and HDS, using ab initio potential energy and dipole surfaces. Wave-numbers for the pure rotational transitions agree to within 0.2 cm−1 of the experimental lines. For the fundamental vibrational transitions, the band origins for D2S are 860.4, 1900.6, and 1912.0 cm−1 for ν2, ν1, and ν3, respectively, compared with the corresponding experimental values of 855.4, 1896.4, and 1910.2 cm−1. For HDS, we compute ν2 to be 1039.4 cm−1, compared with the experimental value of 1032.7 cm−1. The relative merits of local and normal mode descriptions for the overtone stretching band origins are discussed. Our results confirm the local mode nature of the H2S, D2S, and HDS system.