Кіріспе
Виброникалық жұптасу (сонымен қатар, адабиаттық емес жұптасу немесе туынды жұптасу деп аталады) молекулада электрондық және ядролық тербеліс қозғалысы арасындағы өзара әрекеттесуді қамтиды. "Виброника" термині "тербелістік" және "электрондық" терминдерінің бірігуінен туындаған, молекуладағы тербелістік және электрондық өзара әрекеттесулер өзара байланысты және бір-біріне әсер етеді деген идеяны көрсетеді. Виброникалық жұптасудың шамасы осындай өзара байланыстың деңгейін көрсетеді. Теориялық химияда виброникалық жұптасу Борн-Оппенгеймер жуықтауында ескерілмейді. Виброникалық жұптасулар, әсіресе конустық қиылыс нүктелерінің маңында, адабиаттық емес процестерді түсіну үшін маңызды. Виброникалық жұптасуды тікелей есептеу бұрын бағалаумен байланысты қиындықтарға байланысты жиі кездеспесе, ішкі түрлену жылдамдықтарын сандық түрде болжауға деген қызығушылықтың артуы және виброникалық жұптасуды, әсіресе TDDFT деңгейінде, талдау үшін қолжетімді, бірақ қатаң әдістердің дамуына байланысты соңғы кезде кеңінен қолданылуда.
Анықтама
Виброникалық жұптасу — кішкентай дірілдердің әсерінен әртүрлі электрондық күйлердің араласуын сипаттайды.
Бағалау
Виброникалық байланысты бағалау жиі күрделі математикалық талдауды қажет етеді.
Аналитикалық градиент әдістері
Деривативті жұптастықты талдау градиент әдістерімен бағалаудың артықшылығы жоғары дәлдік және өте төмен құнмен байланысты, әдетте бірлік нүктелік есептеуден әлдеқайда арзан. Бұл 2N еселік жылдамдыққа ие болуды білдіреді. Дегенмен, бұл процесс күрделі математикалық өңдеуді және бағдарламалауды талап етеді. Осы себепті, қазіргі уақытта азаған бағдарламалар ғана толқындық функция теориясы деңгейінде виброникалық жұптасуларды талдамалық түрде бағалауды іске асырды. Бұл әдіс туралы толық мәліметтер ref. сілтемесінде келтірілген. SA MCSCF және MRCI үшін COLUMBUS ішіндегі іске асыру туралы мәліметтер ref. сілтемесінде қарастырылған.
TDDFT-ге негізделген әдістер
Виброникалық жұпталуды (көп сілтемелі) толқындық функциялар теориясын қолдану арқылы есептеудің жоғары шығындары, оларды TDDFT деңгейінде бағалау идеясына әкелді, ол жүйенің қозғалған күйлерін оның қозғалған күй толқындық функцияларын сипаттамай, жанама түрде сипаттайды. Дегенмен, TDDFT виброникалық қосынды теориясын тудыру тривиальды емес, себебі TDDFT-де виброникалық қосындыны анықтайтын теңдеуге енгізуге қолжетімді электрондық толқындық функциялар жоқ. Зерттеушілер толық негіздік жиынтық (CBS) лимитінде, екі күй жұбы арасындағы (екеуі де бұзылмаған геометрияда) қысқартылған ауысу тығыздық матрицасын білу, олардың арасындағы виброникалық жұпталуды анықтау үшін жеткілікті екенін көрсетті. Екі электрондық күй арасындағы виброникалық жұпталулар, олардың қысқартылған ауысу тығыздық матрицасын ядролық тартым күші операторының геометриялық туындыларымен көбейту арқылы беріледі, содан кейін екі электрондық күйдің энергия айырмасына бөлінеді: Бұл TDDFT деңгейінде виброникалық жұпталуларды есептеуге мүмкіндік береді, өйткені TDDFT қозғалған күй толқындық функцияларын бермегенмен, ол негізгі күй мен қозғалған күй арасында ғана емес, сонымен қатар екі қозғалған күй арасында да қысқартылған ауысу тығыздық матрицаларын береді. Черняк-Мукамель формуласының дәлелі түзу және Хеллман-Фейнман теоремасын қамтиды. Формула жазық толқын негізі үшін пайдалы дәлдік береді (мысалы, қараңыз сілтеме), бірақ атомдық орбитальдық негіздік жиынтық қолданылса, Пулай күшін ескермеуге байланысты, негізге қатысты өте баяу конвергенцияланады. Сондықтан, молекулалық кодтардағы қазіргі заманғы жүзеге асырулар, әдетте, Лагранж формализмінен туындаған Пулай күшінің үлесін қамтитын өрнектерді қолданады (оның ішінде, бірақ олармен шектелмей, беттік секіру және жол интегралды молекулалық динамика). Егер бастапқы және соңғы электрондық күйдің потенциалдық энергиялық беттері көп өлшемді гармоникалық осцилляторлармен жуықтаса, ішкі түрлендіру жылдамдығын тербеліс корреляциялық функциясын бағалау арқылы есептеуге болады, бұл адиабатикалық емес молекулалық динамикадан әлдеқайда арзан және кездейсоқ шудан таза; бұл адиабатикалық емес молекулалық динамика әдістері қолжетімді емес салыстырмалы түрде баяу ішкі түрлендіру процестерінің жылдамдықтарын есептеудің жылдам әдісін ұсынады. Конустық қиылыстардағы виброникалық жұпталудың ерекшелігі геометриялық фазаның болуына жауапты, оны осы контексте Лонгуэ-Хиггинс ашқан. C6H3F3+ молекулалық ионының негізгі электрондық күйін қамтитын конустық қиылыстың геометриялық фазасы Бункер мен Дженсеннің оқулығының 385-386 беттерінде талқыланады.
This enables one to calculate the vibronic couplings at the TDDFT level, since although TDDFT does not give excited state wave functions, it does give reduced transition density matrices, not only between the ground state and an excited state, but also between two excited states. The proof of the Chernyak Mukamel formula is straightforward and involves the Hellmann Feynman theorem. While the formula provides useful accuracy for a plane wave basis (see e. g. ref. ), it converges extremely slowly with respect to the basis set if an atomic orbital basis set is used, due to the neglect of the Pulay force. Therefore, modern implementations in molecular codes typically use expressions that include the Pulay force contributions, derived from the Lagrangian formalism. (including but not limited to surface hopping and path integral molecular dynamics). When the potential energy surfaces of both the initial and the final electronic state are approximated by multidimensional harmonic oscillators, one can compute the internal conversion rate by evaluating the vibration correlation function, which is much cheaper than nonadiabatic molecular dynamics and is free from random noise; this gives a fast method to compute the rates of relatively slow internal conversion processes, for which nonadiabatic molecular dynamics methods are not affordable. The singularity of vibronic coupling at conical intersections is responsible for the existence of Geometric phase, which was discovered by Longuet Higgins in this context. Geometric phase around the conical intersection involving the ground electronic state of the C6H3F3+ molecular ion is discussed on pages 385 386 of the textbook by Bunker and Jensen.
Қиындықтар мен баламалар
Адиабатикалық емес процестерді түсіну үшін өте маңызды болғанымен, виброникалық жұптасуларды тікелей бағалау соңғы уақытқа дейін өте шектеулі болды. Виброникалық жұптасуларды бағалау математикалық тұжырымдамалар мен бағдарламаларды іске асырудағы қиындықтармен байланысты. Нәтижесінде, толқындық функциялар теориясы деңгейінде немесе екі қозу күйі арасында виброникалық жұптасуларды бағалау алгоритмдері көптеген кванттық химия бағдарламалық кешендерінде әлі іске асырылмаған. Керісінше, TDDFT деңгейіндегі негізгі күй мен қозу күйі арасындағы виброникалық жұптасулар, оларды тұжырымдау оңай және есептеуге арзан болғандықтан, кеңінен қолжетімді. Виброникалық жұптасуларды бағалау үшін әдетте олар күшті жұптасқан аймақтарда кем дегенде екі электрондық күйдің дұрыс сипатталуын қажет етеді. Бұл әдетте MCSCF және MRCI сияқты көп анықтамалық әдістерді қолдануды талап етеді, олар есептеу ресурстарын көп қажет ететін және нәзік кванттық химиялық әдістер болып табылады. Дегенмен, виброникалық жұптасулар қажет болатын, бірақ тиісті электрондық күйлер күшті жұптаспаған жағдайлар да бар, мысалы, баяу ішкі түрлендіру процестерін есептеу кезінде; мұндай жағдайларда тіпті TDDFT сияқты әдістер, негізгі күйдегі қозу күйіндегі конустық қиылыстарда сәтсіздікке ұшыраса да, пайдалы дәлдік бере алады. Сонымен қатар, TDDFT екі қозу күйі арасындағы виброникалық жұптасуды сапалық тұрғыдан дұрыс сипаттай алады, тіпті егер екі қозу күйі энергия жағынан өте жақын болса және демек, күшті жұптасқан болса да (TDDFT виброникалық жұптасуының қозғалыс теңдеуі (EOM) нұсқасы, уақытқа тәуелді бұзылыстар теориясының (TDPT) нұсқасының орнына қолданылса). Тіпті шамамен есептеудің өзі мүмкін болмаған жағдайда, виброникалық жұптасудың шамасы тәжірибелік деректерді қайта жарату арқылы анықталатын эмпирикалық параметр ретінде жиі енгізіледі. Балама ретінде, потенциалдық энергия бетін адиабатикалықтан диабатикалық өкілдікке ауыстыру арқылы туынды жұптауларды тікелей пайдаланудан аулақ болуға болады. Диабатикалық өкілдікті қатаң растау үшін виброникалық жұптасу туралы білім қажет болса да, дипольдік момент, заряд таралуы немесе орбиталық толтыру сияқты физикалық шамалардың үзділігіне сілтеме жасау арқылы мұндай диабатикалық өкілдіктерді құруға болады. Алайда, мұндай құрылым молекулалық жүйе туралы егжей-тегжейлі білімді қажет етеді және маңызды тәуелсіздікке әкеледі. Әртүрлі әдістермен құрылған диабатикалық өкілдіктер әртүрлі нәтижелер бере алады және нәтижелердің сенімділігі зерттеушінің шешіміне байланысты.
Теориялық дамуы
Молекулалық спектрлерге виброникалық байланыстың әсері алғаш рет Герцберг пен Теллердің мақаласында талқыланады. Герцберг-Теллер эффектісі виброникалық байланыстың немесе электрондық өту моментінің ядролық координаталарға тәуелділігінің нәтижесі сияқты көрінсе де, спектрдегі Герцберг-Теллер эффектісінің осы екі көрінетін себебінің бір құбылыстың екі көрінісі екені көрсетілуі мүмкін (Бункер мен Дженсеннің кітабының 14.1.9 бөліміне қараңыз).