Coarse-graining and quantum-classical adaptive coupling in soft matter

Die vorliegende Arbeit untersucht den Zusammenhang zwischen Skalen in Systemen weicher Materie, der für Multiskalen-Simulationen eine wichtige Rolle spielt. Zu diesem Zweck wurde eine Methode entwickelt, die die Approximation der Separierbarkeit von Variablen für die Molekulardynamik und ähnliche Anwendungen bewertet. Der zweite und größere Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der konzeptionellen und technischen Erweiterung des Adaptive Resolution Scheme'' (AdResS), einer Methode zur gleichzeitigen Simulation von Systemen mit mehreren Auflösungsebenen. Diese Methode wurde auf Systeme erweitert, in denen klassische und quantenmechanische Effekte eine Rolle spielen.rnrnDie oben genannte erste Methode benötigt nur die analytische Form der Potentiale, wie sie die meisten Molekulardynamik-Programme zur Verfügung stellen. Die Anwendung der Methode auf ein spezielles Problem gibt bei erfolgreichem Ausgang einen numerischen Hinweis auf die Gültigkeit der Variablenseparation. Bei nicht erfolgreichem Ausgang garantiert sie, dass keine Separation der Variablen möglich ist. Die Methode wird exemplarisch auf ein zweiatomiges Molekül auf einer Oberfläche und für die zweidimensionale Version des Rotational Isomer State (RIS) Modells einer Polymerkette angewandt.rnrnDer zweite Teil der Arbeit behandelt die Entwicklung eines Algorithmus zur adaptiven Simulation von Systemen, in denen Quanteneffekte berücksichtigt werden. Die Quantennatur von Atomen wird dabei in der Pfadintegral-Methode durch einen klassischen Polymerring repräsentiert. Die adaptive Pfadintegral-Methode wird zunächst für einatomige Flüssigkeiten und tetraedrische Moleküle unter normalen thermodynamischen Bedingungen getestet. Schließlich wird die Stabilität der Methode durch ihre Anwendung auf flüssigen para-Wasserstoff bei niedrigen Temperaturen geprüft.

Ab-initio study of hydrogen technology materials for hydrogen storage and proton conduction

This dissertation deals with two specific aspects of a potential hydrogen-based energy economy, namely the problems of energy storage and energy conversion. In order to contribute to the solution of these problems, the structural and dynamical properties of two promising materials for hydrogen storage (lithium imide/amide) and proton conduction (poly[vinyl phosphonic acid]) are modeled on an atomistic scale by means of first principles molecular dynamics simulation methods.rnrnrnIn the case of the hydrogen storage system lithium amide/imide (LiNH_2/Li_2NH), the focus was on the interplay of structural features and nuclear quantum effects. For these calculations, Path-Integral Molecular Dynamics (PIMD) simulations were used. The structures of these materials at room temperature were elucidated; in collaboration with an experimental group, a very good agreement between calculated and experimental solid-state 1H-NMR chemical shifts was observed. Specifically, the structure of Li_2NH features a disordered arrangement of the Li lattice, which was not reported in previous studies. In addition, a persistent precession of the NH bonds was observed in our simulations. We provide evidence that this precession is the consequence of a toroid-shaped effective potential, in which the protons in the material are immersed. This potential is essentially flat along the torus azimuthal angle, which might lead to important quantum delocalization effects of the protons over the torus.rnrnOn the energy conversion side, the dynamics of protons in a proton conducting polymer (poly[vinyl phosphonic acid], PVPA) was studied by means of a steered ab-initio Molecular Dynamics approach applied on a simplified polymer model. The focus was put on understanding the microscopic proton transport mechanism in polymer membranes, and on characterizing the relevance of the local environment. This covers particularly the effect of water molecules, which participate in the hydrogen bonding network in the material. The results indicate that these water molecules are essential for the effectiveness of proton conduction. A water-mediated Grotthuss mechanism is identified as the main contributor to proton conduction, which agrees with the experimentally observed decay on conductivity for the same material in the absence of water molecules.rnrnThe gain in understanding the microscopic processes and structures present in this materials can help the development of new materials with improved properties, thus contributing to the solution of problems in the implementation of fuel cells.

Interacting quantum-dissipative tunnelling systems

Die Untersuchung von dissipativen Quantensystemen erm¨oglicht es, Quantenph¨anomene auch auf makroskopischen L¨angenskalen zu beobachten. Das in dieser Dissertation gew¨ahlte mikroskopische Modell erlaubt es, den bisher nur ph¨anomenologisch zug¨anglichen Effekt der Quantendissipation mathematisch und physikalisch herzuleiten und zu untersuchen. Bei dem betrachteten mikroskopischen Modell handelt es sich um eine 1-dimensionale Kette von harmonischen Freiheitsgraden, die sowohl untereinander als auch an r anharmonische Freiheitsgrade gekoppelt sind. Die F¨alle einer, respektive zwei anharmonischer Bindungen werden in dieser Arbeit explizit betrachtet. Hierf¨ur wird eine analytische Trennung der harmonischen von den anharmonischen Freiheitsgraden auf zwei verschiedenen Wegen durchgef¨uhrt. Das anharmonische Potential wird als symmetrisches Doppelmuldenpotential gew¨ahlt, welches mit Hilfe der Wick Rotation die Berechnung der ¨Uberg¨ange zwischen beiden Minima erlaubt. Das Eliminieren der harmonischen Freiheitsgrade erfolgt mit Hilfe des wohlbekannten Feynman-Vernon Pfadintegral-Formalismus [21]. In dieser Arbeit wird zuerst die Positionsabh¨angigkeit einer anharmonischen Bindung im Tunnelverhalten untersucht. F¨ur den Fall einer fernab von den R¨andern lokalisierten anharmonischen Bindung wird ein Ohmsches dissipatives Tunneln gefunden, was bei der Temperatur T = 0 zu einem Phasen¨ubergang in Abh¨angigkeit einer kritischen Kopplungskonstanten Ccrit f¨uhrt. Dieser Phasen¨ubergang wurde bereits in rein ph¨anomenologisches Modellen mit Ohmscher Dissipation durch das Abbilden des Systems auf das Ising-Modell [26] erkl¨art. Wenn die anharmonische Bindung jedoch an einem der R¨ander der makroskopisch grossen Kette liegt, tritt nach einer vom Abstand der beiden anharmonischen Bindungen abh¨angigen Zeit tD ein ¨Ubergang von Ohmscher zu super- Ohmscher Dissipation auf, welche im Kern KM(τ ) klar sichtbar ist. F¨ur zwei anharmonische Bindungen spielt deren indirekteWechselwirkung eine entscheidende Rolle. Es wird gezeigt, dass der Abstand D beider Bindungen und die Wahl des Anfangs- und Endzustandes die Dissipation bestimmt. Unter der Annahme, dass beide anharmonischen Bindung gleichzeitig tunneln, wird eine Tunnelwahrscheinlichkeit p(t) analog zu [14], jedoch f¨ur zwei anharmonische Bindungen, berechnet. Als Resultat erhalten wir entweder Ohmsche Dissipation f¨ur den Fall, dass beide anharmonischen Bindungen ihre Gesamtl¨ange ¨andern, oder super-Ohmsche Dissipation, wenn beide anharmonischen Bindungen durch das Tunneln ihre Gesamtl¨ange nicht ¨andern.

Scale bridging concepts in molecular simulation : coarse-graining and thermodynamic coupling

In dieser Arbeit wurden Simulation von Flüssigkeiten auf molekularer Ebene durchgeführt, wobei unterschiedliche Multi-Skalen Techniken verwendet wurden. Diese erlauben eine effektive Beschreibung der Flüssigkeit, die weniger Rechenzeit im Computer benötigt und somit Phänomene auf längeren Zeit- und Längenskalen beschreiben kann.rnrnEin wesentlicher Aspekt ist dabei ein vereinfachtes (“coarse-grained”) Modell, welches in einem systematischen Verfahren aus Simulationen des detaillierten Modells gewonnen wird. Dabei werden ausgewählte Eigenschaften des detaillierten Modells (z.B. Paar-Korrelationsfunktion, Druck, etc) reproduziert.rnrnEs wurden Algorithmen untersucht, die eine gleichzeitige Kopplung von detaillierten und vereinfachten Modell erlauben (“Adaptive Resolution Scheme”, AdResS). Dabei wird das detaillierte Modell in einem vordefinierten Teilvolumen der Flüssigkeit (z.B. nahe einer Oberfläche) verwendet, während der Rest mithilfe des vereinfachten Modells beschrieben wird.rnrnHierzu wurde eine Methode (“Thermodynamische Kraft”) entwickelt um die Kopplung auch dann zu ermöglichen, wenn die Modelle in verschiedenen thermodynamischen Zuständen befinden. Zudem wurde ein neuartiger Algorithmus der Kopplung beschrieben (H-AdResS) der die Kopplung mittels einer Hamilton-Funktion beschreibt. In diesem Algorithmus ist eine zur Thermodynamischen Kraft analoge Korrektur mit weniger Rechenaufwand möglich.rnrnAls Anwendung dieser grundlegenden Techniken wurden Pfadintegral Molekulardynamik (MD) Simulationen von Wasser untersucht. Mithilfe dieser Methode ist es möglich, quantenmechanische Effekte der Kerne (Delokalisation, Nullpunktsenergie) in die Simulation einzubeziehen. Hierbei wurde zuerst eine Multi-Skalen Technik (“Force-matching”) verwendet um eine effektive Wechselwirkung aus einer detaillierten Simulation auf Basis der Dichtefunktionaltheorie zu extrahieren. Die Pfadintegral MD Simulation verbessert die Beschreibung der intra-molekularen Struktur im Vergleich mit experimentellen Daten. Das Modell eignet sich auch zur gleichzeitigen Kopplung in einer Simulation, wobei ein Wassermolekül (beschrieben durch 48 Punktteilchen im Pfadintegral-MD Modell) mit einem vereinfachten Modell (ein Punktteilchen) gekoppelt wird. Auf diese Weise konnte eine Wasser-Vakuum Grenzfläche simuliert werden, wobei nur die Oberfläche im Pfadintegral Modell und der Rest im vereinfachten Modell beschrieben wird.

Integrali sui cammini e ordinamento di Weyl

In questa tesi viene affrontato lo studio degli integrali funzionali nella meccanica quantistica, sia come rielaborazione dell'operatore di evoluzione temporale che costruendo direttamente una somma sui cammini. Vengono inoltre messe in luce ambiguit\`a dovute alla discretizzazione dell'azione corrispondenti ai problemi di ordinamento operatoriale della formulazione canonica. Si descrive inoltre come una possibile scelta della discretizzazione dell'integrale funzionale pu\`o essere ottenuta utilizzando l'ordinamento di Weyl dell'opertore Hamiltoniano, sfruttando la relazione tra Hamiltoniana Weyl ordinata e la prescrizione del punto di mezzo da usare nella discretizzazione dell'azione classica. Studieremo in particolare il caso di una particella non relativistica interagente con un potenziale scalare, un potenziale vettore (campo magnetico) ed un potenziale tensore (metrica).

Real-time simulation of large open quantum spin systems driven by dissipation

We consider a large quantum system with spins 12 whose dynamics is driven entirely by measurements of the total spin of spin pairs. This gives rise to a dissipative coupling to the environment. When one averages over the measurement results, the corresponding real-time path integral does not suffer from a sign problem. Using an efficient cluster algorithm, we study the real-time evolution from an initial antiferromagnetic state of the two-dimensional Heisenberg model, which is driven to a disordered phase, not by a Hamiltonian, but by sporadic measurements or by continuous Lindblad evolution.

Supersymmetric quantum mechanics on the lattice: I. Loop formulation

Simulations of supersymmetric field theories on the lattice with (spontaneously) broken supersymmetry suffer from a fermion sign problem related to the vanishing of the Witten index. We propose a novel approach which solves this problem in low dimensions by formulating the path integral on the lattice in terms of fermion loops. For N=2 supersymmetric quantum mechanics the loop formulation becomes particularly simple and in this paper – the first in a series of three – we discuss in detail the reformulation of this model in terms of fermionic and bosonic bonds for various lattice discretisations including one which is Q-exact.

Long-time quantum simulation of the primary charge separation in bacterial photosynthesis.

Accurate quantum mechanical simulations of the primary charge transfer in photosynthetic reaction centers are reported. The process is modeled by three coupled electronic states corresponding to the photoexcited chlorophyll special pair (donor), the reduced bacteriopheophytin (acceptor), and the reduced accessory chlorophyll (bridge) that interact with a dissipative medium of protein and solvent degrees of freedom. The time evolution of the excited special pair is followed over 17 ps by using a fully quantum mechanical path integral scheme. We find that a free energy of the reduced accessory chlorophyll state approximately equal to 400 cm(-1) lower than that of the excited special pair state yields state populations in agreement with experimental results on wild-type and modified reaction centers. For this energetic configuration electron transfer is a two-step process.

Quantisation of the bosonic string

In this work we review the basic principles of the theory of the relativistic bosonic string through the study of the action functionals of Nambu-Goto and Polyakov and the techniques required for their canonical, light-cone, and path-integral quantisation. For this purpose, we briefly review the main properties of the gauge symmetries and conformal field theory involved in the techniques studied.

Non-Gaussian error probability in optical soliton transmission

We find the probability distribution of the fluctuating parameters of a soliton propagating through a medium with additive noise. Our method is a modification of the instanton formalism (method of optimal fluctuation) based on a saddle-point approximation in the path integral. We first solve consistently a fundamental problem of soliton propagation within the framework of noisy nonlinear Schrödinger equation. We then consider model modifications due to in-line (filtering, amplitude and phase modulation) control. It is examined how control elements change the error probability in optical soliton transmission. Even though a weak noise is considered, we are interested here in probabilities of error-causing large fluctuations which are beyond perturbation theory. We describe in detail a new phenomenon of soliton collapse that occurs under the combined action of noise, filtering and amplitude modulation. © 2004 Elsevier B.V. All rights reserved.

Computation of rare transitions in the barotropic quasi-geostrophic equations

We investigate the theoretical and numerical computation of rare transitions in simple geophysical turbulent models. We consider the barotropic quasi-geostrophic and two-dimensional Navier–Stokes equations in regimes where bistability between two coexisting large-scale attractors exist. By means of large deviations and instanton theory with the use of an Onsager–Machlup path integral formalism for the transition probability, we show how one can directly compute the most probable transition path between two coexisting attractors analytically in an equilibrium (Langevin) framework and numerically otherWe adapt a class of numerical optimization algorithms known as minimum action methods to simple geophysical turbulent models. We show that by numerically minimizing an appropriate action functional in a large deviation limit, one can predict the most likely transition path for a rare transition between two states. By considering examples where theoretical predictions can be made, we show that the minimum action method successfully predicts the most likely transition path. Finally, we discuss the application and extension of such numerical optimization schemes to the computation of rare transitions observed in direct numerical simulations and experiments and to other, more complex, turbulent systems.

Langevin dynamics, large deviations and instantons for the quasi-geostrophic model and two-dimensional Euler equations

We investigate a class of simple models for Langevin dynamics of turbulent flows, including the one-layer quasi-geostrophic equation and the two-dimensional Euler equations. Starting from a path integral representation of the transition probability, we compute the most probable fluctuation paths from one attractor to any state within its basin of attraction. We prove that such fluctuation paths are the time reversed trajectories of the relaxation paths for a corresponding dual dynamics, which are also within the framework of quasi-geostrophic Langevin dynamics. Cases with or without detailed balance are studied. We discuss a specific example for which the stationary measure displays either a second order (continuous) or a first order (discontinuous) phase transition and a tricritical point. In situations where a first order phase transition is observed, the dynamics are bistable. Then, the transition paths between two coexisting attractors are instantons (fluctuation paths from an attractor to a saddle), which are related to the relaxation paths of the corresponding dual dynamics. For this example, we show how one can analytically determine the instantons and compute the transition probabilities for rare transitions between two attractors.

A Lorentzian Signature Model for Quantum General Relativity

We give a relativistic spin network model for quantum gravity based on the Lorentz group and its q-deformation, the Quantum Lorentz Algebra. We propose a combinatorial model for the path integral given by an integral over suitable representations of this algebra. This generalises the state sum models for the case of the four-dimensional rotation group previously studied in gr-qc/9709028. As a technical tool, formulae for the evaluation of relativistic spin networks for the Lorentz group are developed, with some simple examples which show that the evaluation is finite in interesting cases. We conjecture that the `10J' symbol needed in our model has a finite value.

Branching dendrites with resonant membrane: a "sum-over-trips" approach

Dendrites form the major components of neurons. They are complex branching structures that receive and process thousands of synaptic inputs from other neurons. It is well known that dendritic morphology plays an important role in the function of dendrites. Another important contribution to the response characteristics of a single neuron comes from the intrinsic resonant properties of dendritic membrane. In this paper we combine the effects of dendritic branching and resonant membrane dynamics by generalising the "sum-over-trips" approach [Abbott, L.F., Fahri, E., Gutmann, S.: The path integral for dendritic trees. Biological Cybernetics 66, 49--60 (1991)]. To illustrate how this formalism can shed light on the role of architecture and resonances in determining neuronal output we consider dual recording and reconstruction data from a rat CA1 hippocampal pyramidal cell. Specifically we explore the way in which an $I_{h}$ current contributes to a voltage overshoot at the soma.

Calculation of mutual information for nonlinear communication channel at large signal-to-noise ratio

Using the path-integral technique we examine the mutual information for the communication channel modeled by the nonlinear Schrödinger equation with additive Gaussian noise. The nonlinear Schrödinger equation is one of the fundamental models in nonlinear physics, and it has a broad range of applications, including fiber optical communications - the backbone of the internet. At large signal-to-noise ratio we present the mutual information through the path-integral, which is convenient for the perturbative expansion in nonlinearity. In the limit of small noise and small nonlinearity we derive analytically the first nonzero nonlinear correction to the mutual information for the channel.