Published December 7, 2022 | Version v1
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Contributions to theoretical and numerical modeling of quantum tunneling in complex systems and application to chemical reactivity

Description

In this thesis, we present methodological investigations aimed at simulating challenging reactive quantum systems. We consider 3 challenging properties: the system's size, important tunneling (particularly resonant deep tunneling), and non-adiabatic behavior. Our first project combines the ABC-DVR approach with Smolyak representation of the cumulative reaction probability operator to significantly extend the maximum number of degrees of freedom for which our new rigorous approach remains tractable. The efficient scaling with system size of our ABC-SR scheme was illustrated on several reaction path Hamiltonian models of chemical reactions. In our second project we developed two efficient methods based on the Time-Independent Quantum Trajectories (TIQT) formalism. The first allows rigorous computation of the reaction probability along any multidimensional ZPE-corrected reaction path with a single trajectory propagation. Its performance was illustrated in several dynamical regimes, including an application to the astrochemically relevant D + H+3 → H + H2D+ reaction. The second method is a hybrid quantum-classical approach propagating an ensemble of independent trajectories in the full-dimensional space of the reaction valley. Both approaches were found to be much more efficient, while keeping a very satisfying degree of accuracy, even in presence of resonant reactive scattering. In the perspective of treating chemical reactions proceeding by tunneling through an isolated reaction valley, theses approaches constitute promising tools notably relevant for gas-phase chemistry in the interstellar medium. Lastly, we devised the first stable numerical scheme based on the Time-Dependent Quantum Trajectories (TDQT) framework. Its great performance were studied on one-dimensional adiabatic system models, and we realised a proof-of-principle regarding its applicability to non-adiabatic processes formulated through exact factorization of electronic and nuclear wavefunctions. It outperformed classical nuclear dynamics regarding faithfulness to the true non-adiabatic dynamics of Tully models. Good performances of the 1D TDQT method make pursuing its extension to several degrees of freedom, and the development of a full-fledged non-adiabatic algorithm worthy of future investigations. (author)

Abstract (French)

Dans cette these, nous presentons des developpements methodologiques visant a simuler la dynamique quantique reactionnelle de systemes complexes. Les sources de complexite dynamique considerees sont la taille du systeme, la prevalence de l'effet tunnel (en particulier le regime 'deep tunneling' resonant), et une dynamique non-adiabatique. Notre premier axe de recherche est l'extension de la taille des systemes auxquels l'approche quantique rigoureuse de l'operateur probabilite cumulee de reaction (methode ABC-DVR) peut etre appliquee via un schema de Smolyak pour la generation de representations DVR et FBR. Notre approche baptisee ABC-SR est nettement plus efficace que la methode ABC-DVR pour traiter les systemes comportant un grand nombre de degres de liberte, comme illustre par son application a des systemes modeles d'Hamiltonien de chemin de reaction. Notre deuxieme axe de recherche concerne deux approches basees sur le formalisme des trajectoires quantiques independant du temps (TIQT) pour inclure avec precision l'effet tunnel le long d'un chemin de reaction. La premiere methode propage une trajectoire quantique contrainte a suivre le chemin de reaction sous l'influence des variations d'energie de point zero des modes normaux. Sa precision est illustree entre autres par le traitement de la reaction D + H+3 → H + H2D+ d'interet en astrochimie. La deuxieme methode propage un ensemble de trajectoires hybrides dans la vallee de reaction en simulant classiquement la dynamique des modes de bain. Elle s'avere tres efficace pour la dynamique reactionnelle de systemes de grande taille, reproduisant precisement l'effet tunnel meme dans le regime deep tunneling resonant. Ces deux approches sont prometteuses pour les reactions presentant une vallee de reaction isolee comme c'est le cas de la chimie en phase gazeuse. Leur bonne reproduction de l'effet tunnel est notamment determinante pour pouvoir simuler la reactivite chimique dans le milieu interstellaire. Dans notre troisieme axe de recherche, nous developpons le premier schema d'integration stable du formalisme 1D des trajectoires quantiques dependant du temps (TDQT). Nous demontrons la performance de notre methode pour la simulation de processus reactifs adiabatiques, et fournissons une preuve de principe de son applicabilite aux processus non-adiabatiques basee sur la factorisation exacte des fonctions d'ondes electronique et nucleaire. Les trajectoires quantiques ont reproduit la dynamique non-adiabatique des modeles de Tully avec une fidelite inaccessible aux methodes de propagation classique des noyaux. Ces resultats encourageants font de la poursuite du developpement d'un algorithme non-adiabatique complet et de l'extension de l'approche a plusieurs dimensions deux pistes de recherche future d'interet. (auteur)

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Original title (French)
Contributions a la modelisation theorique et numerique de l'effet tunnel dans des systemes complexes et application a la reactivite chimique

Publishing Information

Imprint Pagination
324 p.
Report number
FRNC-TH--14330

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Notes
392 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses