Universität Stuttgart

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Publication Type: search.filters.UBSTyp.DissertationStart date: 2020Institute: search.filters.UBSInstitut.Institut für Theoretische Chemie

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    Computational investigation of catalytic reaction mechanisms
    (2024) Heitkämper, Juliane; Kästner, Johannes (Prof. Dr.)
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    Investigation of chemical reactivity by machine-learning techniques
    (2022) Zaverkin, Viktor; Kästner, Johannes (Prof. Dr.)
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    Extension of a VCI program for the calculation of rovibrational intensities
    (2023) Tschöpe, Martin; Rauhut, Guntram (apl. Prof. Dr.)
    Die Identifizierung von Molekülen im interstellaren Medium, in zirkumstellaren Scheiben und in den Atmosphären kalter Exoplaneten ist eine große Herausforderung in der Astrophysik und basiert hauptsächlich auf hochgenauen Rotations- und Rotationsschwingungs-Referenzspektren. Eine Möglichkeit, diese Referenzspektren zu bestimmen, sind ab initio-Berechnungen, da sie eine effiziente Simulation eines breiten Bereichs von Bedingungen (einschließlich extrem niedriger Drücke und Temperaturen) ermöglichen. In dieser Arbeit wurde eine neue und besonders effiziente Implementierung der Rotationsschwingungskonfigurationswechselwirkungstheorie für die Berechnung von Infrarot-Rotationschwingungsspektren entwickelt, um die Berechnung dieser Referenzspektren zu ermöglichen. Der Ansatz basiert auf Normalkoordinaten und einer Mehrmodenentwicklung der mehrdimensionalen Potential- und Dipolmomentflächen sowie Schwingungs-Selbst-konsistentes-Feld-Verfahren und Schwingungskonfigurationswechselwirkungstheorie. Dabei wird ein direktes Produkt zwischen Schwingungsbasisfunktionen und Rotationsbasisfunktionen verwendet. So kann im Gegensatz zu der zuvor eingeführten Rotationskonfigurationswechselwirkungstheorie die Wechselwirkung zwischen Rotations- und Vibrationsbanden berücksichtigt werden. Dies geschieht mit hoher Genauigkeit, indem die Terme höherer Ordnung des inversen effektiven Trägheitsmomenttensors μ für den Rotationsterm und die Coriolis-Kopplung im Watson Hamiltonian berücksichtigt werden. Darüber hinaus werden eine neue Rotationsbasis namens Molekülspezifische Rotationsbasis (MSRB) und eine neue Art der Zuweisung von Rotationsschwingungsquantenzahlen eingeführt. Das Konvergenzverhalten verschiedener Entwicklungen für die Rotationsschwingungskonfigurationswechselwirkungstheorie (RVCI) zeigte sehr individuelle Effekte für die fünf untersuchten Parameter. Wenn die maximale Gesamtdrehimpulsquantenzahl Jmax oder die Größe der Schwingungsbasis nicht ausreichend konvergiert, treten besonders große Artefakte auf. Es werden effiziente Methoden zur Erkennung und Vermeidung dieser Probleme vorgestellt. Auch die Größe des Schwingungsbasissatzes ist ein entscheidender Parameter für die Konvergenz des Spektrums. Der beste Indikator für die Konvergenz bezüglich dieses Parameters und für die Stärke der Kopplung ist der spektrale Abstand zwischen den Schwingungsbanden. Für die beiden quasi-entarteten Schwingungsmoden von H2 CS ist die Coriolis-Kopplung nullter Ordnung sehr entscheidend, während die Terme erster Ordnung nur geringe Änderungen verursachen. Im Vergleich zu den Coriolis-Kopplungstermen erfordern die Rotationsterme eine um eine Ordnung höhere μ-Tensorentwicklung für die gleiche Genauigkeit. Die erste Ordnung führt für ganze Progressionen zu Energieverschiebungen von höchstens 5 cm-1 . Die durch die Terme der zweiten Ordnung hervorgerufenen Änderungen sind um mehr als eine Größenordnung geringer. Da das Fehlen von Kopplungstermen höherer Ordnung keine Artefakte im Spektrum verursacht, ist eine unzureichende Konvergenz in den resultierenden Spektren sehr schwierig zu erkennen. Die Berechnungen für die erste Veröffentlichung in dieser Dissertation beruhten auf einer Reihe von Näherungen, die im weiteren Verlauf dieser Arbeit entfernt werden konnten. Die meisten dieser Näherungen hatten kaum Auswirkungen auf die Spektren von Ketenimin, da sie bis 2900 cm-1 nur zu geringfügigen Änderungen des Spektrums führten. Oberhalb dieser Grenze zeigen jedoch die ν1 -Bande und die Kopplung zwischen ν8 + ν12 und ν11 , dass sich die Qualität der Quantenzahlzuordnung und die Konsistenz der Intensitäten in den letzten drei Jahren deutlich verbessert haben. Die neuen Berechnungen zeigen auch eine interessante turnaround Progression in diesem Bereich. Die Studie zur Linienverbreiterung unter Verwendung von Propynal als Anwendungsmolekül bestätigte die Annahme, dass für Moleküle mit 6 - 10 Atomen keine Notwendigkeit besteht, beyond Voigt-Profile zu verwenden, wie sie für kleine Moleküle (N2 , H2 O, CH4, NH3 , etc.) benutzt werden. Der Grund dafür ist, dass die höhere Masse und der größere Trägheitstensor zu einer hohen Schwingungszustandsdichte führen, wodurch die genaue Form des Verbreiterungsprofil weniger relevant wird. Am Ende dieser Arbeit werden verschiedene Laufzeitoptimierungen analysiert. Die Parallelisierung zeigt eine nahezu perfekte Skalierung in der Anzahl der CPU-Kerne für die Vorberechnungen der Schwingungsintegrale und für die Intensitätsberechnung. Darüber hinaus sparen die Vorberechnungen der Schwingungsintegrale etwa einen Faktor von 8 an Gesamtrechenzeit ein. Die Kontraktion der MSRB-Koeffizienten mit den RVCI-Koeffizienten führt zu einer Gesamtrechenzeitreduktion von 50% für H2CS und 97% für Ketenimin. Die derzeitige Implementierung der RVCI-Theorie in MOLPRO ist in der Lage, Infrarot- und Raman-Spektren für bis zu 10 Atome, von T = 0 K bis zu Raumtemperatur und über einen weiten Spektralbereich zu berechnen. Die Kombination all dieser Eigenschaften erfordert jedoch große Rechenressourcen. Im Ausblick wird daher eine Liste von Optimierungen zur Steigerung der Recheneffizienz vorgestellt. Darüber hinaus wird eine Reihe von möglichen zusätzlichen Funktionalitäten und Methoden zur Erhöhung der Robustheit des Programms aufgelistet.
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    Multiconfiguration self-consistent field methods for large molecules
    (2020) Kreplin, David A.; Werner, Hans-Joachim (Prof. Dr.)
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    Chemical structure prediction based on machine learning
    (2020) Denzel, Alexander; Kästner, Johannes (Prof. Dr.)
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    Accurate force- and Hessian predictions from neural network potentials
    (2020) Cooper, April Mae; Kästner, Johannes (Prof. Dr.)
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    Simulation of metal-sulfur battery performance
    (2024) Klostermann, Sina V.; Kästner, Johannes (Prof. Dr.)
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    Combining orbital and real space quantum Monte Carlo methods
    (2024) Hosseini, Seyed Mohammadreza; Alavi, Ali (Prof. Dr.)
    Quantum Monte Carlo (QMC) methods are wave-function-based approaches based on random sampling that provide a very direct treatment of many-body problems and serve as benchmarks against which other techniques may be compared. This thesis is concerned with the development of QMC methods for the calculation of highly-accurate electronic energies. In particular, it focusses on combining QMC methods, namely continuum methods such as variational and diffusion Monte Carlo (VMC and DMC) with full configuration interaction quantum Monte Carlo (FCIQMC). The principal aim of this thesis is to show that thanks to their complementary nature, these methods can be used in combination to overcome specific weaknesses that each methodology has by itself. The thesis begins with introductory chapters which describe the various QMC methods as they are used in the literature. Following this, three different methodologies are explored, which have applicabilities to different types of systems. In the first method, we present a new technique to obtain very accurate total and relative energies by extrapolating VMC and DMC energies, with the help of FCIQMC-generated trial wave functions combined with a Jastrow factor and an optional backflow transformation. We find that the VMC and DMC energies are smooth functions of the sum of the squared coefficients in the FCIQMC wave function, and that quadratic extrapolations of the VMC and DMC energies intersect within uncertainty of the exact total energy. With adequate statistical treatment of quasi-random fluctuations, the extrapolated intersection with polynomials of order two (XSPOT) method is shown to yield results in agreement with benchmark-quality total and relative energies for various molecular systems. Following this, we combine the DMC and transcorrelated FCIQMC (TC-FCIQMC) methods, along with a finite-size extrapolation framework to calculate the thermodynamic limit of the exact correlation energy of the high-density spin-unpolarized uniform electron gas. The thermodynamic limit obtained at rs = 0.5 is within uncertainty of the most recent QMC correlation energy from the literature. In the final method, we introduce a new extrapolation scheme which eliminates the energy bias stemming from the initiator approximation in the FCIQMC method. We find that extrapolating the FCIQMC energy linearly in n^(−1/3) to the infinite-walker limit yields results in excellent agreement with the benchmark full configuration interaction (FCI) limits from the semistochastic heat-bath configuration interaction (SHCI) method. The method is applied to a series of diatomics and the results are accurate, with FCI limits obtained from FCIQMC differing by 0.4 mHa or less from their SHCI counterparts throughout. The more complex chromium atom and dimer are also successfully studied using this method.
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    Ab initio studies of solid phase diagrams with quantum chemical theories
    (2021) Liao, Ke; Alavi, Ali (Prof. Ph.D.)
    In this thesis, we first apply several existing methods, including full configuration interaction Monte Carlo (FCIQMC) and coupled cluster singles and doubles (CCSD), on the solid hydrogen phases under high pressures and find that CCSD predicts a static phase diagram that agrees well with the state-of-the-art diffusion Monte Carlo (DMC), especially on the most stable phases. Noticing that all existing studies on the solid hydrogen phases use structures which are optimized by density functional theory (DFT) using different exchange-correlation functionals, as a second step and to go beyond DFT, we develop and implement a program that calculates the MP2 forces using a plane wave basis set for the structural optimization of the solid hydrogen phases. The C2/c-24 model structures obtained via DFT-PBE are further relaxed using the MP2 forces and the resulting structures provide band gaps, calculated by the G0W0 method and with the electron-phonon interactions included perturbatively, that agree reasonably well with experiments. Furthermore, the H2 vibron frequencies versus pressure curve calculated based on the MP2 optimized structures agree almost perfectly with one of the experiments, providing valuable theoretical insights in dissolving a long-standing dispute among experiments over the pressure calibration curve at high pressures. Finally, to make existing methods more efficient and accurate, we combine the transcorrelation method (TC) and the coupled cluster methods, with an application on the three dimensional uniform electron gas (3D UEG) which is a model system for periodic solids. Traditionally, the TC method has been used to incorporate the short range cusp conditions in the wavefunction directly into the TC Hamiltonian, so that fewer basis functions are needed to achieve energies that are free from the basis-set incompleteness errors. We notice that the TC framework is very general and correlations in addition to the short range cusp conditions can also be included and potentially improve even the accuracy of approximate methods like coupled/distinguishable cluster doubles (CCD/DCD) in systems with strong correlations. Inspired by the pair-correlation functions in real space for the 3D UEG, we design a cor- relator that mimics their behaviours as a function of the electron density. In addition to that, a simple framework which aims to maximize the HF weight in the wavefunction is introduced to optimize the parameters in the correlator. As a result, the accuracy and efficiency of TC-CCD and TC-DCD are improved significantly compared to their canonical counterparts over a large range of electron densities, using FCIQMC and DMC results as benchmark data. We hope to generalize these methods to real periodic solid materials in the future.