Modern computational techniques for simulations of molecular spectra

Abstract

Přesné výpočty vibračních energií a vibračních spekter molekul vyžadují započítání anharmonických sil. Ve standardním výpočetním protokolu, jsou velké vibrační matice Hamiltoniánu diagonalizovány a spektrální intenzity počítány pro jednotlivé přechody odděleně. V této práci navrhujeme alternativní přímé generování spektrálních křivek na základě časové propagace náhodné vibrační vlnové funkce následované Fourierovou transformací. Nedostatek zdlouhavé a výpočetně náročné diagonalizace činí metodu vhodnou pro větší molekuly. Je zvláště vhodná pro velké Hamiltoniány, které jsou běžně získány v rámci báze harmonických oscilátorů, a algoritmus umožňuje paralelizaci. Na modelu dimeru vody jsou diskutovány základní vlastnosti konvergence. Metoda je pak použita na vibrační Ramanovy intenzity fenchonu, kde byly získány spektrální profily srovnatelné s výsledky získanými klasickými přístupy.

Accurate computations of vibrational energies and vibrational spectra of molecules require an inclusion of the anharmonic forces. In standard computational protocols, a large vibrational Hamiltonian matrix is diagonalized, and spectral intensities are calculated for individual transitions separately. In this work we propose an alternate direct generation of the spectral curves based on a temporal propagation of a trial vibrational wavefunction followed by a Fourier transformation. The lack of the lengthy and computer-memory demanding diagonalization makes the method suitable for larger molecules. It is especially convenient for sparse Hamiltonians that are commonly obtained within the harmonic oscillator basis set, and the algorithm is amendable to parallelization. On a model water dimer basic convergence properties are discussed. The method is then applied to vibrational Raman intensities of the fenchone compound, were it provides spectral shapes comparable with those obtained by the classical approaches.