Laboratórium chemickej fyziky

Čo skúma chemická fyzika?

• Porozumenie, popis a predpovedanie chemických javov na základe riešenia fyzikálnych rovníc

• Tieto rovnice sú typicky zložité, preto ich treba riešiť na počítači

• Vývoj počítačových programov – naším cieľom nie je študovať len jednu situáciu, ale vytvoriť metódy a nástroje pre riešenie ľubovoľných úloh

• Skúmanie dôsledkov exotickej fyziky v chémii

Moderné fyzikálne teórie používané v chémii

• Kvantová mechanika

  • základná teória pre chémiu

  • jej dôsledky skúmame dodnes – riešenie jej rovníc nie je ľahké

• Teória relativity

  • dôležitá pre systémy pohybujúce sa vysokými rýchlosťami

  • nie len pre vesmírne lode a astrononomické objekty, ale aj elektróny v ťažkých prvkoch

• Kvantová elektrodynamika (QED)

  • pôvodne teória z časticovej fyziky – teória elektrónov a fotónov

  • QED efekty prítomné v molekulách uzavretých v nanoštruktúrach

  • kvantové stavy, ktoré sú kombináciou svetla a hmoty

 

  Mgr. Lukáš Konečný, PhD  -  Relativistické efekty a QED

Google Scholar & ORCID

Primárnym predmetom nášho výskumu je vývoj výpočtových relativistických kvantovochemických metód, teda matematických techník a algoritmov pre riešenie Diracovej rovnice – rovnice kombinujúcej kvantovú mechaniku a špeciálnu teóriu relativity pre popis chemických javov. Teória relativity je v chémii dôležitá pre presný popis prvkov v spodnej časti periodickej tabuľky, ktorých elektróny dosahujú rýchlosti blízke rýchlosti svetla, a pre procesy zahŕňajúce elektrónový spin a spinovo–orbitálnu väzbu. Vyvinuté metódy sú distribuované ako súčasť počítačového programu ReSpect, www.respectprogram.org.

Riešenia Diracovej rovnice umožňujú predpovedanie a interpretáciu spektier atómov a molekúl, pričom sa zaoberáme najmä Röntgenovými spektroskopiami, chiralitou a optickou aktivitou, ako aj modernými časovo rozlíšenými attosekundovými spektroskopiami s dôrazom na zlúčeniny obsahujúce atómy ťažkých prvkov ako sú prechodné kovy a aktinoidy, v ktorých sú relativistické efekty obzvlášť silné.

Ďalšou vetvou nášho výskumu je polaritonická chémia – nové odvetvie chémie študujúce chemické procesy prebiehajúce v optických kavitách, čo sú nanoštruktúry uzatvárajúce atómy a molekuly a, vďaka zrkadlovým stenám, aj svetlo. Tým dochádza k vzniku hybridných kvantových stavov, polaritónov, ktoré nie sú ani svetlo ani hmota, ale oboje naraz. Polaritóny sa správajú ako nové excitované stavy atómov a molekúl, čím ovplyvňujú priebeh chemických reakcií alebo tvar spektier. Teoretický popis polaritónov vyžaduje kvantovú elektrodynamiku (QED), teóriu pôvodne vyvinutú v časticovej fyzike ako relativistickú teóriu, avšak v polaritonickej chémii štandardne adaptovanú do nerelativistickej podoby. V našom výskume sa venujeme situáciám, kedy je aj v chémii nutné použitie relativistickej QED pre atómy a molekuly v optických kavitách a tiež pre spektroskopické efekty vyplývajúce z interakcie hmoty s kvantovým vákuom.

 

Prof. RNDr. Jozef Noga, DrSc  -  Metódy zahŕňajúce elektrónovú koreláciu do vlnovej funkcie

 Google Scholar & ORCID

Vedecko výskumná práca je zameraná najmä na vývoj a počítačovú implementáciu presných neempirických kvantovochemických prístupov so zahrnutím elektrónovej korelácie. Aplikácie týchto metód sú zamerané na vysoko spoľahlivé výpočty potenciálových hyperplôch malých molekúl, termochémiu ako i výpočty elektrických vlastnosti molekúl, vrátane nelineárnych optických vlastností. V poslednej dobe sa tiež venuje vývoju metód pre výpočty energií a vlastností rozsiahlych systémov s periodickou štruktúrou so zameraním na materiálovú chémiu.

  RNDr. Ján Šimunek, PhD  -  Vývoj QCH metód a ich aplikácia v anorganickej chémii

 Researcher ID & ORCID 

Vo výskume sa venujem dvom oblastiam, ktoré sú navzájom prepojené. Prvou oblasťou je vývoj počítačových metód kvantovej chémii, ktoré urýchľujú dosiaľ používané prístupy. Našou snahou je urýchliť a súčasne spresniť výpočty nielen pre malé molekuly ale aj rozsiahlejšie systémy. Na výpočty používame program DIRCCR12OS, ktorý bol z väčšej časti vyvinutý na našom pracovisku. Je napísaný v jazyku fortran. V súčastnosti sa snažíme i o implementácie do programu BAGH, ktorý je vyvíjaný primárne v Indii v skupine Dr. Achintya K. Dutta a je napísaný v jazyku python.
Druhá oblasť je zameraná na aplikáciu kvantovo-chemických metód pri výpočtoch spektrálnych vlastností anorganických komplexov.

 

Achintya Kumar Dutta, Ph. D. - Vývoj presných relativistických metód spriahnutých klastrov

ORCID