过渡金属化合物中超快自旋翻转动力学的研究

The rapid development of X-ray sources and advances in attosecond spectroscopy have provided powerful tools to study more and more intricate effects on the atomic scale, such as, the correlation between valence and core electrons. In this project will investigate the ultrafast spin dynamics of transition metal compounds to understand the behavior and mechanism of ultrafast spin-flip dynamics driven by the inner electron ionization or excitation. Subsequently the influence of strong field ligands, external field and environment on such ultrafast physical process will be studied. The inner electrons have strong electron correlation and spin-orbit coupling. It may involve up to one thousand coupled electronic states at the same time. It is very difficult to treat such problems by using the standard quantum chemistry softwares. We will develop a method named density matrix based time-dependent restricted active space configuration interaction to study many-electron problems. The method describes the electron correlation and spin-orbit coupling fairly well. The ultrafast laser field can be used to excite the core electron to prepare a complex superposition of quantum states and then steer the ultrafast spin dynamics. The theoretical simulation will provide guidance to ultrafast attosecond experiments. Detailed understanding of the mechanism of spin dynamics will stimulate the development of new photoelectric materials and control the photoelectric conversion processes to accelerate its applicants in synthesis of artificial catalysts.

近年来X射线源的快速发展及阿秒光谱的诞生为理解复杂的多电子相互作用提供了有效的技术手段，包括研究外层电子与内层电子的关联相互作用等。本项目将深入研究过渡金属化合物内层电子的超快自旋动力学，包括内层电子电离或激发驱动的超快自旋翻转特性及其机制，以及强场配位体、外场和外界环境对该超快物理过程的影响等问题。内层电子具有极强的电子关联和自旋轨道耦合，需要同时处理上千个耦合的电子态，常见的量子化学软件很难处理，因而我们将发展一种基于密度矩阵含时组态相互作用的方法来处理多电子问题，准确描述电子关联及自旋轨道相互作用，通过超快光场激发内层电子，制备复杂的量子叠加态，然后追踪过渡金属化合物的超快电子自旋动力学。该研究将为阿秒超快激光实验提供新的理论依据和设计方案，深入理解自旋动力学机制将促进新型光电功能材料的开发及对光电转换过程的控制，促进其在合成人工催化剂方面的应用。

近年来X射线源的快速发展及阿秒光谱的诞生促使理论模拟超快物理过程。根据项目研究计划，我们发展一种基于密度矩阵含时组态相互作用的方法来处理多电子问题，该方法可同时处理上千个耦合的电子态，准确描述电子关联及自旋轨道相互作用。计算了不同金属化合物的L-边界X射线吸收光谱，模拟了自旋翻转动力学过程。研究了配位体和金属中心对超快自旋翻转动力学特性及效率的影响，以及外界环境对系统耗散的影响。该研究发现了自旋翻转的效率与自旋轨道耦合SOC的值之间没有直接关联，这与我们的预期相反；而配位体的性质也决定自旋翻转动力学的特性，因此对于不同的过渡金属化合物需要逐案分析。该研究对深入理解自旋翻转动力学的机制有重要的意义，为阿秒超快激光实验提供了新的理论依据和设计方案；促进了新型光电功能材料的开发，对光电转换过程的控制以及合成人工催化剂方面的应用。完成了项目预期的研究内容，达到了预期的研究目标。. 主要研究成果发表论文8篇，其中《J. Chem. Phys.》2 篇，《Chin. Phys. Lett.》3 篇, 《RSC Adv.》1篇，《Chem. Phys.》1 篇以及《物理学报》1篇，在投文章两篇。在项目完成中指导和合作指导硕士6名，毕业硕士1名。