基于GPUs的三原子碰撞量子态态动力学非绝热效应研究

Nonadiabatic transitions of chemical reaction caused by spin-orbit coupling have a significant effect on the quantum state-to-state dynamics. In recent years, with the development of computer hardware and software, and also the advance of numerical analysis method, it has been a fact that the understanding of chemical reaction kinetics is deeply into the quantum state level, but due to the limitation of computing speed and computing capacity, the theoretical research of the quantum state-resolved nonadiabatic process has not been widely carried out. In this project, based on the efficient Graphics Processing Units (GPUs) quantitative calculation procedures, the nonadiabatic dynamics process of the triatomic collision system will be studied. Through calculating and comparative analyzing the nonadiabatic integral cross sections of H+H2 reaction, we will obtain the method of correctly using GPU quantitative calculation procedures to deal with the state-to-state nonadiabatic problem. On this basis, we will further study the state-to-state nonadiabatic process of the triatomic system having deep potential well and reveal the macroscopic reaction mechanism. At the same time, we will study the isotope effect in the nonadiabatic reaction process of the above system. This project aims at giving a number of quantum state-to-state dynamics information of the triatomic reaction systems having deep potential well to reveal the nonadiabatic dynamics rules, which may help to analyze the nonadiabatic dynamics properties of other similar chemical reaction systems and provide reasonable theoretical explanation for the related experimental results.

自旋-轨道耦合引起的非绝热跃迁对化学反应的量子态态动力学有着重要的影响。目前，随着计算机水平的提高和理论方法的发展，人们对化学反应动力学规律的认识已经深入到量子态分辨的层次，但由于受到计算速度和容量的限制，关于量子态分辨的非绝热过程的理论研究尚未广泛开展。本项目就是基于高效的Graphics Processing Units （GPUs）量化计算程序，研究三原子体系的态态非绝热过程。通过比较分析H+H2的非绝热积分截面，得出利用GPU程序正确处理态态非绝热问题的方法。在此基础上，深入研究具有深势阱结构的三原子体系的态态非绝热过程，揭示微观反应机制。同时，研究以上体系非绝热反应过程中的同位素效应。本项目的研究将给出一系列有深势阱的三原子体系的量子态态动力学信息，揭示这类反应的非绝热动力学规律，为其它类似反应的非绝热动力学性质的研究提供重要理论依据和参考，并为相关的实验结果提供合理的理论解释。

量子态态动力学更是从微观的角度研究具有确定量子态的反应物分子经过一次碰撞变成确定量子态的生成物分子时的反应特征，可以在一个更细致的程度上来认识化学反应的机理。本项目就是基于高效的Graphics Processing Units （GPUs）量化计算程序，研究三原子体系的量子态态动力学过程。对HFO体系中F+HO→HF+O在基态三重态1^3A″和两个激发态1^3A′和2^3A″势能面上做了精确的全量子态分辨的相关计算，此外，研究了NHH体系的同位素反应D+ND→N+DD在 势能面上的态-态动力学性质。对F+HO→HF+O反应，由于反应体系属于HLH质量组合，不管是在基态还是两个激发态势能面上，都反应几率存在HLH共振，由当总角动量J比较小时，反应几率出现明显的震荡，尤其是在低能区震荡现象更明显。在基态1^3A″势能面上，由于反应是无势垒的放热反应，因此，反应后能量主要转化为了平动能和振动能，振转态分辨的积分反应截面出现了振动反转，但是没有出现转动反转。此外，由于低能区主要是间接机理，而高能区是直接提取机理，导致两个区域内的微分散射截面出现了不同的角分布，低能区主要是前-后向散射，高能区却呈现出非常强烈的前向散射。由于激发态1^3A′和2^3A"两个势能面性质比较类似，因此在这两个势能面上得到了一些类似的动力学性质。反应过程中存在共振态，而共振态的波函数之间存在着量子干涉导致转动分辨的积分截面出现了多峰结构，总微分截面都是侧后向分布。不同之处是2^3A"势能面上的能垒比1^3A′高，因此2^3A"势能面上的反应微分截面后向散射程度更强烈；对^4A"势能面上的D+ND→N+DD反应，产物的转动比振动有明显的量子数反转现象，通过不透明函数与J的关系，我们得到该反应有反弹和剥离机制两种反应机制，这两种反应机理在态分辨的微分散射截面的结果中也得到了证实。这些计算结果对于我们从量子态-态的层次上深入研究反应机理提供了直接有力的理论支持，同时也为其他类似的反应的反应机理的探究提供了思路和方法。