Towards Accurate and Efficient Description of Excited States

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-06

Photodissociation of benzene under collision-free conditions: An ab initio/Rice-Ramsperger-Kassel-Marcus study

The ab initio/Rice-Ramsperger-Kassel-Marcus (RRKM) approach has been applied to investigate the photodissociation mechanism of benzene at various wavelengths upon absorption of one or two UV photons followed by internal conversion into the ground electronic state. Reaction pathways leading to various decomposition products have been mapped out at the G2M level and then the RRKM and microcanonical variational transition state theories have been applied to compute rate constants for individual reaction steps. Relative product yields (branching ratios) for C6H5+H, C6H4+H-2, C4H4+C2H2, C4H2+C2H4, C3H3+C3H3, C5H3+CH3, and C4H3+C2H3 have been calculated subsequently using both numerical integration of kinetic master equations and the steady-state approach. The results show that upon absorption of a 248 nm photon dissociation is too slow to be observable in molecular beam experiments. In photodissociation at 193 nm, the dominant dissociation channel is H atom elimination (99.6%) and the minor reaction channel is H-2 elimination, with the branching ratio of only 0.4%. The calculated lifetime of benzene at 193 nm is about 11 mus, in excellent agreement with the experimental value of 10 mus. At 157 nm, the H loss remains the dominant channel but its branching ratio decreases to 97.5%, while that for H-2 elimination increases to 2.1%. The other channels leading to C3H3+C3H3, C5H3+CH3, C4H4+C2H2, and C4H3+C2H3 play insignificant role but might be observed. For photodissociation upon absorption of two UV photons occurring through the neutral hot benzene mechanism excluding dissociative ionization, we predict that the C6H5+H channel should be less dominant, while the contribution of C6H4+H-2 and the C3H3+C3H3, CH3+C5H3, and C4H3+C2H3 radical channels should significantly increase. (C) 2004 American Institute of Physics.

Modern Computational Chemistry Methods for Prediction of Ground- and Excited-State Properties in Open-Shell Systems

The main goal of the research presented in this work is to provide some important insights about computational modeling of open-shell species. Such projects are: the investigation of the size-extensivity error in Equation-of-Motion Coupled Cluster methods, the analysis of the Long-Range corrected scheme in predicting UV-Vis spectra of Cu(II) complexes with the 4-imidazole acetate and its ethylated derivative, and the exploration of the importance of choosing a proper basis set for the description of systems such as the lithium monoxide anion. The most significant findings of this research are: (i) The contribution of the left operator to the size-extensivity error of the CR-EOMCC(2,3) approach, (ii) The cause of d-d shifts when varying the range-separation parameter and the amount of the exact exchange arising from the imbalanced treatment of localized vs. delocalized orbitals via the "tuned" CAM-B3LYP* functional, (iii) The proper acidity trend of the first-row hydrides and their lithiated analogs that may be reversed if the basis sets are not correctly selected.

Strategies for Rescheduling Tightly-Coupled Parallel Applications in Multi-Cluster Grids

As computational Grids are increasingly used for executing long running multi-phase parallel applications, it is important to develop efficient rescheduling frameworks that adapt application execution in response to resource and application dynamics. In this paper, three strategies or algorithms have been developed for deciding when and where to reschedule parallel applications that execute on multi-cluster Grids. The algorithms derive rescheduling plans that consist of potential points in application execution for rescheduling and schedules of resources for application execution between two consecutive rescheduling points. Using large number of simulations, it is shown that the rescheduling plans developed by the algorithms can lead to large decrease in application execution times when compared to executions without rescheduling on dynamic Grid resources. The rescheduling plans generated by the algorithms are also shown to be competitive when compared to the near-optimal plans generated by brute-force methods. Of the algorithms, genetic algorithm yielded the most efficient rescheduling plans with 9-12% smaller average execution times than the other algorithms.

Relativistische vier und zwei Spinor Finite Elemente Berechnungen zweiatomiger Moleküle

Der Vielelektronen Aspekt wird in einteilchenartigen Formulierungen berücksichtigt, entweder in Hartree-Fock Näherung oder unter dem Einschluß der Elektron-Elektron Korrelationen durch die Dichtefunktional Theorie. Da die Physik elektronischer Systeme (Atome, Moleküle, Cluster, Kondensierte Materie, Plasmen) relativistisch ist, habe ich von Anfang an die relativistische 4 Spinor Dirac Theorie eingesetzt, in jüngster Zeit aber, und das wird der hauptfortschritt in den relativistischen Beschreibung durch meine Promotionsarbeit werden, eine ebenfalls voll relativistische, auf dem sogenannten Minimax Prinzip beruhende 2-Spinor Theorie umgesetzt. Im folgenden ist eine kurze Beschreibung meiner Dissertation: Ein wesentlicher Effizienzgewinn in der relativistischen 4-Spinor Dirac Rechnungen konnte durch neuartige singuläre Koordinatentransformationen erreicht werden, so daß sich auch noch für das superschwere Th2 179+ hächste Lösungsgenauigkeiten mit moderatem Computer Aufwand ergaben, und zu zwei weiteren interessanten Veröffentlichungen führten (Publikationsliste). Trotz der damit bereits ermöglichten sehr viel effizienteren relativistischen Berechnung von Molekülen und Clustern blieben diese Rechnungen Größenordnungen aufwendiger als entsprechende nicht-relativistische. Diese behandeln das tatsächliche (relativitische) Verhalten elektronischer Systeme nur näherungsweise richtig, um so besser jedoch, je leichter die beteiligten Atome sind (kleine Kernladungszahl Z). Deshalb habe ich nach einem neuen Formalismus gesucht, der dem möglichst gut Rechnung trägt und trotzdem die Physik richtig relativistisch beschreibt. Dies gelingt durch ein 2-Spinor basierendes Minimax Prinzip: Systeme mit leichten Atomen sind voll relativistisch nunmehr nahezu ähnlich effizient beschrieben wie nicht-relativistisch, was natürlich große Hoffnungen für genaue (d.h. relativistische) Berechnungen weckt. Es ergab sich eine erste grundlegende Veröffentlichung (Publikationsliste). Die Genauigkeit in stark relativistischen Systemen wie Th2 179+ ist ähnlich oder leicht besser als in 4-Spinor Dirac-Formulierung. Die Vorteile der neuen Formulierung gehen aber entscheidend weiter: A. Die neue Minimax Formulierung der Dirac-Gl. ist frei von spuriosen Zuständen und hat keine positronischen Kontaminationen. B. Der Aufwand ist weit reduziert, da nur ein 1/3 der Matrix Elemente gegenüber 4-Spinor noch zu berechnen ist, und alle Matrixdimensionen Faktor 2 kleiner sind. C. Numerisch verhält sich die neue Formulierung ähnlilch gut wie die nichtrelativistische Schrödinger Gleichung (Obwohl es eine exakte Formulierung und keine Näherung der Dirac-Gl. ist), und hat damit bessere Konvergenzeigenschaften als 4-Spinor. Insbesondere die Fehlerwichtung (singulärer und glatter Anteil) ist in 2-Spinor anders, und diese zeigt die guten Extrapolationseigenschaften wie bei der nichtrelativistischen Schrödinger Gleichung. Die Ausweitung des Anwendungsbereichs von (relativistischen) 2-Spinor ist bereits in FEM Dirac-Fock-Slater, mit zwei Beispielen CO und N2, erfolgreich gemacht. Weitere Erweiterungen sind nahezu möglich. Siehe Minmax LCAO Nährung.

Development and applications of density matrix functional theory of generalized Hubbard Models

In dieser Doktorarbeit wird eine akkurate Methode zur Bestimmung von Grundzustandseigenschaften stark korrelierter Elektronen im Rahmen von Gittermodellen entwickelt und angewandt. In der Dichtematrix-Funktional-Theorie (LDFT, vom englischen lattice density functional theory) ist die Ein-Teilchen-Dichtematrix γ die fundamentale Variable. Auf der Basis eines verallgemeinerten Hohenberg-Kohn-Theorems ergibt sich die Grundzustandsenergie Egs[γgs] = min° E[γ] durch die Minimierung des Energiefunktionals E[γ] bezüglich aller physikalischer bzw. repräsentativer γ. Das Energiefunktional kann in zwei Beiträge aufgeteilt werden: Das Funktional der kinetischen Energie T[γ], dessen lineare Abhängigkeit von γ genau bekannt ist, und das Funktional der Korrelationsenergie W[γ], dessen Abhängigkeit von γ nicht explizit bekannt ist. Das Auffinden präziser Näherungen für W[γ] stellt die tatsächliche Herausforderung dieser These dar. Einem Teil dieser Arbeit liegen vorausgegangene Studien zu Grunde, in denen eine Näherung des Funktionals W[γ] für das Hubbardmodell, basierend auf Skalierungshypothesen und exakten analytischen Ergebnissen für das Dimer, hergeleitet wird. Jedoch ist dieser Ansatz begrenzt auf spin-unabhängige und homogene Systeme. Um den Anwendungsbereich von LDFT zu erweitern, entwickeln wir drei verschiedene Ansätze zur Herleitung von W[γ], die das Studium von Systemen mit gebrochener Symmetrie ermöglichen. Zuerst wird das bisherige Skalierungsfunktional erweitert auf Systeme mit Ladungstransfer. Eine systematische Untersuchung der Abhängigkeit des Funktionals W[γ] von der Ladungsverteilung ergibt ähnliche Skalierungseigenschaften wie für den homogenen Fall. Daraufhin wird eine Erweiterung auf das Hubbardmodell auf bipartiten Gittern hergeleitet und an sowohl endlichen als auch unendlichen Systemen mit repulsiver und attraktiver Wechselwirkung angewandt. Die hohe Genauigkeit dieses Funktionals wird aufgezeigt. Es erweist sich jedoch als schwierig, diesen Ansatz auf komplexere Systeme zu übertragen, da bei der Berechnung von W[γ] das System als ganzes betrachtet wird. Um dieses Problem zu bewältigen, leiten wir eine weitere Näherung basierend auf lokalen Skalierungseigenschaften her. Dieses Funktional ist lokal bezüglich der Gitterplätze formuliert und ist daher anwendbar auf jede Art von geordneten oder ungeordneten Hamiltonoperatoren mit lokalen Wechselwirkungen. Als Anwendungen untersuchen wir den Metall-Isolator-Übergang sowohl im ionischen Hubbardmodell in einer und zwei Dimensionen als auch in eindimensionalen Hubbardketten mit nächsten und übernächsten Nachbarn. Schließlich entwickeln wir ein numerisches Verfahren zur Berechnung von W[γ], basierend auf exakten Diagonalisierungen eines effektiven Vielteilchen-Hamilton-Operators, welcher einen von einem effektiven Medium umgebenen Cluster beschreibt. Dieser effektive Hamiltonoperator hängt von der Dichtematrix γ ab und erlaubt die Herleitung von Näherungen an W[γ], dessen Qualität sich systematisch mit steigender Clustergröße verbessert. Die Formulierung ist spinabhängig und ermöglicht eine direkte Verallgemeinerung auf korrelierte Systeme mit mehreren Orbitalen, wie zum Beispiel auf den spd-Hamilton-Operator. Darüber hinaus berücksichtigt sie die Effekte kurzreichweitiger Ladungs- und Spinfluktuationen in dem Funktional. Für das Hubbardmodell wird die Genauigkeit der Methode durch Vergleich mit Bethe-Ansatz-Resultaten (1D) und Quanten-Monte-Carlo-Simulationen (2D) veranschaulicht. Zum Abschluss wird ein Ausblick auf relevante zukünftige Entwicklungen dieser Theorie gegeben.

Formfaktoren des Nukleons in relativistischer chiraler Störungstheorie

In der vorliegenden Dissertation wurden die Formfaktoren desNukleons in einer relativistischen Formulierung der chiralenStörungstheorie bis zur chiralen Ordnung O(q^4) berechnet. Im Einzelnen haben wir den skalaren Formfaktor, dieelektromagnetischen Formfaktoren F_1 und F_2 bzw. G_E und G_M, die beiden axialen Formfaktoren G_A und G_P und denPion-Nukleon-Formfaktor G_pi untersucht. Dabei kam ein neuesRenormierungsschema zur Anwendung, das in Zusammenarbeit mitGegelia, Japaridze und Scherer entwickelt wurde. Das Ziel der neuen Methode bestand darin, ein konsistentes chirales Zählschema für renormierte Diagramme der relativistischen Theorie zu entwickeln. Zu diesem Zweck werden über das MS-Schema hinausgehend zusätzlich reguläre Terme abgezogen und in den Niederenergiekonstanten der allgemeinsten effektiven Lagrange-Dichte absorbiert. Als Folge respektieren auch Schleifendiagramme mit inneren Nukleonlinien ähnlich wie im mesonischen Sektor ein chirales Zählschema. Die Ergebnisse wurden mit denen aus der Infrarotregularisierung von Becher und Leutwyler und bis zur Ordnung O(q^3) auch mit denen aus der chiralen Störungstheorie für schwere Baryonen (HBChPT) verglichen. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigte sich mit der Frage, ob der axiale Formfaktor in der Pionelektroproduktion nahe der Schwelle bestimmt werden kann. Dazu haben wir ein phänomenologisches Modell benutzt, das einerseits alle Symmetrien der Lagrange-Dichte der QCD respektiert, d.h. insbesondere die chirale Symmetrie und ihre spontane Brechung, andererseits relativ einfach nachzuvollziehendeRechnungen beinhaltet. Das Modell basierte auf denLagrange-Dichten der chiralen Störungstheorie mit derEinschränkung, dass wir keine Schleifengraphen berechnet haben. Wir benutzten diese Baumgraphennäherung, da die Schleifengraphen chirale Korrekturen zu unseren Ergebnissen liefern, die im Rahmen der HBChPT von Bernard, Kaiser und Meißner berechnet wurden und unter Kontrolle sind. Als ein Test des Modells haben wir die axialen Formfaktoren des Nukleons bestimmt und eine auf die chirale Symmetrie zurückgehende Beziehung zwischen diesen und demPion-Nukleon-Formfaktor überprüft. Der Hauptbestandteil dieses Teils der Arbeit bestand aus dem Test der so genannten Adlerschen Relation, die in Form einer chiralen Ward-Identität drei Greensche Funktionen miteinander verbindet. Wir haben explizit verifiziert, dass die Abhängigkeit der Pionelektroproduktionsamplitude vomaxialen Formfaktor eine direkte Konsequenz aus der chiralenSymmetrie ist. Durch einen Vergleich mit den Ergebnissen vonHaberzettl konnten wir schießlich feststellen, dass die sogenannte Eichableitungsmethode die chirale Symmetrie nichtrespektiert.

Exact quantum Monte Carlo methods for correlated electron systems

Thema dieser Arbeit ist die Entwicklung und Kombination verschiedener numerischer Methoden, sowie deren Anwendung auf Probleme stark korrelierter Elektronensysteme. Solche Materialien zeigen viele interessante physikalische Eigenschaften, wie z.B. Supraleitung und magnetische Ordnung und spielen eine bedeutende Rolle in technischen Anwendungen. Es werden zwei verschiedene Modelle behandelt: das Hubbard-Modell und das Kondo-Gitter-Modell (KLM). In den letzten Jahrzehnten konnten bereits viele Erkenntnisse durch die numerische Lösung dieser Modelle gewonnen werden. Dennoch bleibt der physikalische Ursprung vieler Effekte verborgen. Grund dafür ist die Beschränkung aktueller Methoden auf bestimmte Parameterbereiche. Eine der stärksten Einschränkungen ist das Fehlen effizienter Algorithmen für tiefe Temperaturen.rnrnBasierend auf dem Blankenbecler-Scalapino-Sugar Quanten-Monte-Carlo (BSS-QMC) Algorithmus präsentieren wir eine numerisch exakte Methode, die das Hubbard-Modell und das KLM effizient bei sehr tiefen Temperaturen löst. Diese Methode wird auf den Mott-Übergang im zweidimensionalen Hubbard-Modell angewendet. Im Gegensatz zu früheren Studien können wir einen Mott-Übergang bei endlichen Temperaturen und endlichen Wechselwirkungen klar ausschließen.rnrnAuf der Basis dieses exakten BSS-QMC Algorithmus, haben wir einen Störstellenlöser für die dynamische Molekularfeld Theorie (DMFT) sowie ihre Cluster Erweiterungen (CDMFT) entwickelt. Die DMFT ist die vorherrschende Theorie stark korrelierter Systeme, bei denen übliche Bandstrukturrechnungen versagen. Eine Hauptlimitation ist dabei die Verfügbarkeit effizienter Störstellenlöser für das intrinsische Quantenproblem. Der in dieser Arbeit entwickelte Algorithmus hat das gleiche überlegene Skalierungsverhalten mit der inversen Temperatur wie BSS-QMC. Wir untersuchen den Mott-Übergang im Rahmen der DMFT und analysieren den Einfluss von systematischen Fehlern auf diesen Übergang.rnrnEin weiteres prominentes Thema ist die Vernachlässigung von nicht-lokalen Wechselwirkungen in der DMFT. Hierzu kombinieren wir direkte BSS-QMC Gitterrechnungen mit CDMFT für das halb gefüllte zweidimensionale anisotrope Hubbard Modell, das dotierte Hubbard Modell und das KLM. Die Ergebnisse für die verschiedenen Modelle unterscheiden sich stark: während nicht-lokale Korrelationen eine wichtige Rolle im zweidimensionalen (anisotropen) Modell spielen, ist in der paramagnetischen Phase die Impulsabhängigkeit der Selbstenergie für stark dotierte Systeme und für das KLM deutlich schwächer. Eine bemerkenswerte Erkenntnis ist, dass die Selbstenergie sich durch die nicht-wechselwirkende Dispersion parametrisieren lässt. Die spezielle Struktur der Selbstenergie im Impulsraum kann sehr nützlich für die Klassifizierung von elektronischen Korrelationseffekten sein und öffnet den Weg für die Entwicklung neuer Schemata über die Grenzen der DMFT hinaus.

A strategy for scheduling tightly coupled parallel applications on clusters

Although various strategies have been developed for scheduling parallel applications with independent tasks, very little work exists for scheduling tightly coupled parallel applications on cluster environments. In this paper, we compare four different strategies based on performance models of tightly coupled parallel applications for scheduling the applications on clusters. In addition to algorithms based on existing popular optimization techniques, we also propose a new algorithm called Box Elimination that searches the space of performance model parameters to determine the best schedule of machines. By means of real and simulation experiments, we evaluated the algorithms on single cluster and multi-cluster setups. We show that our Box Elimination algorithm generates up to 80% more efficient schedule than other algorithms. We also show that the execution times of the schedules produced by our algorithm are more robust against the performance modeling errors.

Stability of multi-cluster synchronization

A system of many coupled oscillators on a network can show multicluster synchronization. We obtain existence conditions and stability bounds for such a multicluster synchronization. When the oscillators are identical, we obtain the interesting result that network structure alone can cause multicluster synchronization to emerge even when all the other parameters are the same. We also study occurrence of multicluster synchronization when two different types of oscillators are coupled.

A Direct Approach to the Problem of Diffraction by a Half-Plane under Mixed Boundary Conditions

A general direct technique of solving a mixed boundary value problem in the theory of diffraction by a semi-infinite plane is presented. Taking account of the correct edge-conditions, the unique solution of the problem is derived, by means of Jones' method in the theory of Wiener-Hopf technique, in the case of incident plane wave. The solution of the half-plane problem is found out in exact form. (The far-field is derived by the method of steepest descent.) It is observed that it is not the Wiener-Hopf technique which really needs any modification but a new technique is certainly required to handle the peculiar type of coupled integral equations which the Wiener-Hopf technique leads to. Eine allgemeine direkte Technik zur Lösung eines gemischten Randwertproblems in der Theorie der Beugung an einer halbunendlichen Ebene wird vorgestellt. Unter Berücksichtigung der korrekten Eckbedingungen wird mit der Methode von Jones aus der Theorie der Wiener-Hopf-Technik die eindeutige Lösung für den Fall der einfallenden ebenen Welle hergeleitet. Die Lösung des Halbebenenproblems wird in exakter Form angegeben. (Das Fernfeld wurde mit der Methode des steilsten Abstiegs bestimmt.) Es wurde bemerkt, daß es nicht die Wiener-Hopf-Technik ist, die wirklich irgend welcher Modifikationen bedurfte. Gewiß aber wird eine neue Technik zur Behandlung des besonderen Typs gekoppelter Integralgleichungen benötigt, auf die die Wiener-Hopf-Technik führt.

Turbulence and cooling in galaxy cluster cores

We study the interplay between turbulent heating, mixing, and radiative cooling in an idealized model of cool cluster cores. Active galactic nuclei (AGN) jets are expected to drive turbulence and heat cluster cores. Cooling of the intracluster medium (ICM) and stirring by AGN jets are tightly coupled in a feedback loop. We impose the feedback loop by balancing radiative cooling with turbulent heating. In addition to heating the plasma, turbulence also mixes it, suppressing the formation of cold gas at small scales. In this regard, the effect of turbulence is analogous to thermal conduction. For uniform plasma in thermal balance (turbulent heating balancing radiative cooling), cold gas condenses only if the cooling time is shorter than the mixing time. This condition requires the turbulent kinetic energy to be a parts per thousand(3) the plasma internal energy; such high velocities in cool cores are ruled out by observations. The results with realistic magnetic fields and thermal conduction are qualitatively similar to the hydrodynamic simulations. Simulations where the runaway cooling of the cool core is prevented due to mixing with the hot ICM show cold gas even with subsonic turbulence, consistent with observations. Thus, turbulent mixing is the likely mechanism via which AGN jets heat cluster cores. The thermal instability growth rates observed in simulations with turbulence are consistent with the local thermal instability interpretation of cold gas in cluster cores.

Efficiency Dynamics on Two Coupled Small-World Networks

We investigate the effect of clusters in complex networks on efficiency dynamics by studying a simple efficiency model in two coupled small-world networks. It is shown that the critical network randomness corresponding to transition from a stagnant phase to a growing one decreases to zero as the connection strength of clusters increases. It is also shown for fixed randomness that the state of clusters transits from a stagnant phase to a growing one as the connection strength of clusters increases. This work can be useful for understanding the critical transition appearing in many dynamic processes on the cluster networks.

Sequential extracellular matrix-focused and baited-global cluster analysis of serial transcriptomic profiles identifies candidate modulators of renal tubulointerstitial fibrosis in murine adriamycin-induced nephropathy

Transcriptome analysis using microarray technology represents a powerful unbiased approach for delineating pathogenic mechanisms in disease. Here molecular mechanisms of renal tubulointerstitial fibrosis (TIF) were probed by monitoring changes in the renal transcriptome in a glomerular disease-dependent model of TIF ( adriamycin nephropathy) using Affymetrix (mu74av2) microarray coupled with sequential primary biological function-focused and secondary