Constructing a Canonical form of a Matrix in Several Problems about Combinatorial Designs

Partially supported by the Bulgarian Science Fund contract with TU Varna, No 487.

Übergangsmomente zwischen angeregten Zuständen mit der RI-CC2-Methode: Implementierung und Anwendung auf Triplett-Excimere

Die Themengebiete dieser Arbeit umfassen sowohl methodische Weiterentwicklungen im Rahmen der ab initio zweiter Ordnungsmethoden CC2 und ADC(2) als auch Anwendungen dieser Weiterentwick-lungen auf aktuelle Fragestellungen. Die methodischen Erweiterungen stehen dabei hauptsächlich im Zusammenhang mit Übergangsmomenten zwischen angeregten Zuständen. Durch die Implementie-rung der selbigen ist nun die Berechnung transienter Absorptionsspektren möglich. Die Anwendungen behandeln vorwiegend das Feld der organischen Halbleiter und deren photo-elektronische Eigen-schaften. Dabei spielen die bislang wenig erforschten Triplett-Excimere eine zentrale Rolle.rnDie Übergangsmomente zwischen angeregten Zuständen wurden in das Programmpaket TUR-BOMOLE implementiert. Dadurch wurde die Berechnung der Übergangsmomente zwischen Zustän-den gleicher Multiplizität (d.h. sowohl Singulett-Singulett- als auch Triplett-Triplett-Übergänge) und unterschiedlicher Multiplizität (also Singulett-Triplett-Übergänge) möglich. Als Erweiterung wurde durch ein Interface zum ORCA Programm die Berechnung von Spin-Orbit-Matrixelementen (SOMEs) implementiert. Des Weiteren kann man mit dieser Implementierung auch Übergänge in offenschaligen Systemen berechnen. Um den Speicherbedarf und die Rechenzeit möglichst gering zu halten wurde die resolution-of-the-identity (RI-) Näherung benutzt. Damit lässt sich der Speicherbedarf von O(N4) auf O(N3) reduzieren, da die mit O(N4) skalierenden Größen (z. B. die T2-Amplituden) sehr effizient aus RI-Intermediaten berechnet werden können und daher nicht abgespeichert werden müssen. Dadurch wird eine Berechnung für mittelgroße Moleküle (ca. 20-50 Atome) mit einer angemessenen Basis möglich.rnDie Genauigkeit der Übergangsmomente zwischen angeregten Zuständen wurde für einen Testsatz kleiner Moleküle sowie für ausgewählte größere organische Moleküle getestet. Dabei stellte sich her-aus, dass der Fehler der RI-Näherung sehr klein ist. Die Vorhersage der transienten Spektren mit CC2 bzw. ADC(2) birgt allerdings ein Problem, da diese Methoden solche Zustände nur sehr unzureichend beschreiben, welche hauptsächlich durch zweifach-Anregungen bezüglich der Referenzdeterminante erzeugt werden. Dies ist für die Spektren aus dem angeregten Zustand relevant, da Übergänge zu diesen Zuständen energetisch zugänglich und erlaubt sein können. Ein Beispiel dafür wird anhand eines Singulett-Singulett-Spektrums in der vorliegenden Arbeit diskutiert. Für die Übergänge zwischen Triplettzuständen ist dies allerdings weniger problematisch, da die energetisch niedrigsten Doppelan-regungen geschlossenschalig sind und daher für Tripletts nicht auftreten.rnVon besonderem Interesse für diese Arbeit ist die Bildung von Excimeren im angeregten Triplettzu-stand. Diese können aufgrund starker Wechselwirkungen zwischen den π-Elektronensystemen großer organischer Moleküle auftreten, wie sie zum Beispiel als organische Halbleiter in organischen Leucht-dioden eingesetzt werden. Dabei können die Excimere die photo-elktronischen Eigenschaften dieser Substanzen signifikant beeinflussen. Im Rahmen dieser Dissertation wurden daher zwei solcher Sys-teme untersucht, [3.3](4,4’)Biphenylophan und das Naphthalin-Dimer. Hierzu wurden die transienten Anregungsspektren aus dem ersten angeregten Triplettzustand berechnet und diese Ergebnisse für die Interpretation der experimentellen Spektren herangezogen. Aufgrund der guten Übereinstimmung zwischen den berechneten und den experimentellen Spektren konnte gezeigt werden, dass es für eine koplanare Anordnung der beiden Monomere zu einer starken Kopplung zwischen lokal angereg-ten und charge-transfer Zuständen kommt. Diese Kopplung resultiert in einer signifikanten energeti-schen Absenkung des ersten angeregten Zustandes und zu einem sehr geringen Abstand zwischen den Monomereinheiten. Dabei ist der angeregte Zustand über beide Monomere delokalisiert. Die star-ke Kopplung tritt bei einem intermolekularen Abstand ≤4 Å auf, was einem typischen Abstand in orga-nischen Halbleitern entspricht. In diesem Bereich kann man zur Berechnung dieser Systeme nicht auf die Förster-Dexter-Theorie zurückgreifen, da diese nur für den Grenzfall der schwachen Kopplung gültig ist.

Comparison between Two Methods to Calculate the Transition Matrix of Orbit Motion

Two methods to evaluate the state transition matrix are implemented and analyzed to verify the computational cost and the accuracy of both methods. This evaluation represents one of the highest computational costs on the artificial satellite orbit determination task. The first method is an approximation of the Keplerian motion, providing an analytical solution which is then calculated numerically by solving Kepler's equation. The second one is a local numerical approximation that includes the effect of J(2). The analysis is performed comparing these two methods with a reference generated by a numerical integrator. For small intervals of time (1 to 10s) and when one needs more accuracy, it is recommended to use the second method, since the CPU time does not excessively overload the computer during the orbit determination procedure. For larger intervals of time and when one expects more stability on the calculation, it is recommended to use the first method.

Finite size scaling in crossover among different random matrix ensembles in microscopic lattice models

Using numerical diagonalization we study the crossover among different random matrix ensembles (Poissonian, Gaussian orthogonal ensemble (GOE), Gaussian unitary ensemble (GUE) and Gaussian symplectic ensemble (GSE)) realized in two different microscopic models. The specific diagnostic tool used to study the crossovers is the level spacing distribution. The first model is a one-dimensional lattice model of interacting hard-core bosons (or equivalently spin 1/2 objects) and the other a higher dimensional model of non-interacting particles with disorder and spin-orbit coupling. We find that the perturbation causing the crossover among the different ensembles scales to zero with system size as a power law with an exponent that depends on the ensembles between which the crossover takes place. This exponent is independent of microscopic details of the perturbation. We also find that the crossover from the Poissonian ensemble to the other three is dominated by the Poissonian to GOE crossover which introduces level repulsion while the crossover from GOE to GUE or GOE to GSE associated with symmetry breaking introduces a subdominant contribution. We also conjecture that the exponent is dependent on whether the system contains interactions among the elementary degrees of freedom or not and is independent of the dimensionality of the system.

Temperature-dependent transport and spin accumulation in a quantum wire with Rashba spin-orbit interaction

We study the theory of temperature-dependent electron transport, spin polarization, and spin accumulation in a Rashba spin-orbit interaction (RSOI) quantum wire connected nonadiabatically to two normal conductor electrode leads. The influence of both the wire-lead connection and the RSOI on the electron transport is treated analytically by means of a scattering matrix technique and by using an effective free-electron approximation. Through analytical analysis and numerical examples, we demonstrate a simple way to design a sensitive spin-transfer switch that operates without applying any external magnetic fields or attaching ferromagnetic contacts. We also demonstrate that the antisymmetry of the spin accumulation can be destroyed slightly by the coupling between the leads and the wire. Moreover, temperature can weaken the polarization and smear out the oscillations in the spin accumulation.

Probing spin-orbit-interaction-induced electron dynamics in the carbon atom by multiphoton ionization

We use R-matrix theory with time dependence (RMT) to investigate multiphoton ionization of ground-state atomic carbon with initial orbital magnetic quantum number M_L=0 and M_L=1 at a laser wavelength of 390 nm and peak intensity of 10(14) W/cm(2). Significant differences in ionization yield and ejected-electron momentum distribution are observed between the two values for M_L. We use our theoretical results to model how the spin-orbit interaction affects electron emission along the laser polarization axis. Under the assumption that an initial C atom is prepared at zero time delay with M_L=0, the dynamics with respect to time delay of an ionizing probe pulse modeled by using RMT theory is found to be in good agreement with available experimental data.

Optical properties of phthalocyanine molecules in cyano acrylate polymer matrix

Optical absorption and emission spectral studies of various phthalocyanine molecules, viz., LaPc, NdPc, SmPc, EuPc, CuPc and ZnPc in a polymer matrix of cyano acrylate are reported for the first time. All the absorption spectra show an intense B band (Soret) in the UV region followed by a weaker Q band in the visible region. The positions of the Q and B bands are found to have dependence on the metallic substitution. Values of the important spectral parameters, viz., molar extinction coefficient (ϵ), oscillator strength (f), radiative transition rate and decay time of the excited singlet state are also presented and compared with other solid matrices. The recorded fluorescence spectrum shows two broad emission bands in the case of NdPc, whereas for ZnPc only a very weak band is observed. The absence of emission bands for the other metallated phthalocyanines is attributed to increased spin orbit interaction and intersystem crossing.

Entwicklung einer Fokalebenen-Driftkammer für niederenergetische Pionen und experimentelle Bestimmung einer inversen Transfermatrix für das Short-Orbit-Spektrometer

Die Drei-Spektrometer-Anlage am Mainzer Institut für Kernphysik wurde um ein zusätzliches Spektrometer ergänzt, welches sich durch seine kurze Baulänge auszeichnet und deshalb Short-Orbit-Spektrometer (SOS) genannt wird. Beim nominellen Abstand des SOS vom Target (66 cm) legen die nachzuweisenden Teilchen zwischen Reaktionsort und Detektor eine mittlere Bahnlänge von 165 cm zurück. Für die schwellennahe Pionproduktion erhöht sich dadurch im Vergleich zu den großen Spektrometern die Überlebenswahrscheinlichkeit geladener Pionen mit Impuls 100 MeV/c von 15% auf 73%. Demzufolge verringert sich der systematische Fehler ("Myon-Kontamination"), etwa bei der geplanten Messung der schwachen Formfaktoren G_A(Q²) und G_P(Q²), signifikant. Den Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit bildet die Driftkammer des SOS. Ihre niedrige Massenbelegung (0,03% X_0) zur Reduzierung der Kleinwinkelstreuung ist auf den Nachweis niederenergetischer Pionen hin optimiert. Aufgrund der neuartigen Geometrie des Detektors musste eine eigene Software zur Spurrekonstruktion, Effizienzbestimmung etc. entwickelt werden. Eine komfortable Möglichkeit zur Eichung der Driftweg-Driftzeit-Relation, die durch kubische Splines dargestellt wird, wurde implementiert. Das Auflösungsvermögen des Spurdetektors liegt in der dispersiven Ebene bei 76 µm für die Orts- und 0,23° für die Winkelkoordinate (wahrscheinlichster Fehler) sowie entsprechend in der nicht-dispersiven Ebene bei 110 µm bzw. 0,29°. Zur Rückrechnung der Detektorkoordinaten auf den Reaktionsort wurde die inverse Transfermatrix des Spektrometers bestimmt. Hierzu wurden an Protonen im ¹²C-Kern quasielastisch gestreute Elektronen verwendet, deren Startwinkel durch einen Lochkollimator definiert wurden. Daraus ergeben sich experimentelle Werte für die mittlere Winkelauflösung am Target von sigma_phi = 1,3 mrad bzw. sigma_theta = 10,6 mrad. Da die Impulseichung des SOS nur mittels quasielastischer Streuung (Zweiarmexperiment) durchgeführt werden kann, muss man den Beitrag des Protonarms zur Breite des Piks der fehlenden Masse in einer Monte-Carlo-Simulation abschätzen und herausfalten. Zunächst lässt sich nur abschätzen, dass die Impulsauflösung sicher besser als 1% ist.

Orbit and altimetric corrections for the ERS satellites through analysis of single and dual satellite crossovers

Due to the failure of PRARE the orbital accuracy of ERS-1 is typically 10-15 cm radially as compared to 3-4cm for TOPEX/Poseidon. To gain the most from these simultaneous datasets it is necessary to improve the orbital accuracy of ERS-1 so that it is commensurate with that of TOPEX/Poseidon. For the integration of these two datasets it is also necessary to determine the altimeter and sea state biases for each of the satellites. Several models for the sea state bias of ERS-1 are considered by analysis of the ERS-1 single satellite crossovers. The model adopted consists of the sea state bias as a percentage of the significant wave height, namely 5.95%. The removal of ERS-1 orbit error and recovery of an ERS-1 - TOPEX/Poseidon relative bias are both achieved by analysis of dual crossover residuals. The gravitational field based radial orbit error is modelled by a finite Fourier expansion series with the dominant frequencies determined by analysis of the JGM-2 co-variance matrix. Periodic and secular terms to model the errors due to atmospheric density, solar radiation pressure and initial state vector mis-modelling are also solved for. Validation of the dataset unification consists of comparing the mean sea surface topographies and annual variabilities derived from both the corrected and uncorrected ERS-1 orbits with those derived from TOPEX/Poseidon. The global and regional geographically fixed/variable orbit errors are also analysed pre and post correction, and a significant reduction is noted. Finally the use of dual/single satellite crossovers and repeat pass data, for the calibration of ERS-2 with respect to ERS-1 and TOPEX/Poseidon is shown by calculating the ERS-1/2 sea state and relative biases.

Dynamic matrix control on wind-induced vibration of spatial latticed structures [Chinese title = 空间网壳结构风振抑制的动态矩阵预测控制分析]

Ameliorated strategies were put forward to improve the model predictive control in reducing the wind induced vibration of spatial latticed structures. The dynamic matrix control (DMC) predictive method was used and the reference trajectory which is called the decaying functions was suggested for the analysis of spatial latticed structure (SLS) under wind loads. The wind-induced vibration control model of SLS with improved DMC model predictive control was illustrated, then the different feedback strategies were investigated and a typical SLS was taken as example to investigate the reduction of wind-induced vibration. In addition, the robustness and reliability of DMC strategy were discussed by varying the model configurations.