FWF - coupled cluster - Relativistisches Coupled Cluster für offenschalige Moleküle

Das Ziel dieses Projektes ist eine Weiterentwicklung von Methoden zur Beschreibung schwerer Elemente, insbesondere der Lanthanoide. Aufgrund ihrer Besonderheiten gibt es viele Anwendungen für schwere Elemente in der Hochtechnologie. Lanthanoide kommen dort meist wegen ihrer optischen und magnetischen Eigenschaften zum Einsatz. Ein Beispiel dafür sind Laser, in deren aktiven Medien Lanthanoide als optische Zentren Verwendung finden. Eine weitere Anwendung ist die Umwandlung von Licht in solches mit höherer oder niedrigerer Wellenlänge. Dies kann die Effizienz von Solarzellen erhöhen und ist von Bedeutung in Nanoteilchen für Abbildungen in biologischen Untersuchungen. Organische Verbindungen, welche Lanthanoide enthalten, kommen in der Biologie und der Medizin als strahlende Komplexe in der Analyse zum Einsatz. Beispiele hierfür sind die Untersuchung von Zellprozessen oder des Transports von Medikamenten. In den letzten Jahren sind organische Substanzen basierend auf Lanthanoiden als interessante Kandidaten für organische Leuchtdioden aufgekommen. In Bezug auf magnetische Eigenschaften fallen Festkörper welche Lanthanoide enthalten auf, wie zum Beispiel Neodym-Eisen-Bor Magnete durch ihr starkes magnetisches Feld. In diesem Zusammenhang haben Lanthanoide in den letzten Jahren auch als mögliche Kandidaten für molekulare Magneten besondere Aufmerksamkeit erregt. Die Bedeutung der speziellen Relativitätstheorie in der Beschreibung der Bewegung von Himmelskörpern ist weithingehend bekannt; dass man dieselbe Theorie aber auch dazu benötigt, um atomare Eigenschaften korrekt zu erfassen, ist nicht offensichtlich, und hängt mit der extrem schnellen Bewegung der Elektronen in Kernnähe zusammen. Die Bedeutung dieser Effekte zeigt sich zum Beispiel, wenn man die Farbe von Gold oder den Schmelzpunkt von Quecksilber berechnen will. So wie für Atome sind relativistische Beiträge natürlich auch in Molekülen wichtig, und können im Prinzip vollständig berücksichtigt werden, wenn man statt der Schrödingergleichung die Dirac Gleichung verwendet. Allerdings ist die letztgenannte Gleichung deutlich komplexer, und es erfordert mehr Rechenaufwand, entsprechende Lösungen zu finden. In diesem Projekt geht es darum, bestehende relativistische Coupled Cluster Methoden zu erweitern, die es ermöglichen Lösungen der Dirac-Gleichung zu finden. Der Coupled Cluster Ansatz erlaubt eine effiziente Behandlung der Elektronenkorrelation, was für schwere Elemente mit vielen Elektronen besonders wichtig ist. Hauptaugenmerk liegt auf der Behandlung von Systemen mit nicht voll besetzten Schalen; eine Situation, die bei schweren Elementen mit vielen Orbitalen ähnlicher Energie oft auftritt. Hierzu werden mehrere neue Programm-Module entwickelt und in ein bestehendes Paket für relativistische Quantenchemie integriert. In der Rückkehrphase werden damit dann Systeme untersucht, welche für künftige Anwendungen besonders interessant sind, und deren Erzeugung bzw. experimentelle Untersuchung am Institut für Experimentalphysik an der Technischen Universität in Graz möglich ist.