TEOREETTINEN FYSIIKKA TEKNIIKAN TUKENA

Transkriptio

1 TEOREETTINEN FYSIIKKA 1 TEKNIIKAN TUKENA Tapio Rantala Fysiikka Tampereen teknillinen yliopisto SISÄLTÖ MITÄ FYSIIKKA ON Filosofiaa vai arkipäivää? Tiedettä vai tekniikkaa? MATERIAALIFYSIIKKA TEOREETTINEN JA LASKENNAL- LINEN TTY Simulointia, nanofysiikkaa,... Elektronirakenneteoriaa

2 MITÄ FYSIIKKA ON: ARKIPÄIVÄÄ 2 Havainnot Tulkinta ja johtopäätökset Aistihavaintojen tulkinta ja käyttö jokapäiväisessä elinympäristössä: Kotona, esim. keittössä Luonnonilmiöt Syy seuraussuhteet Ymmärtäminen, malli ja ennustaminen Maailmankuva...

3 MITÄ FYSIIKKA ON: TIEDETTÄ 3 Fysiikka: Edellinen riittävästi systematisoituna: esim. Materiaalifysiikka havainnot tulkinta ymmärrys ennustaminen

4 MITÄ FYSIIKKA ON: FILOSOFIAA 4 Ontologiaa, metafysiikkaa, luonnonfilosofiaa, modernia fysiikkaa... Mistä tulemme minne menemme? Mihin ymmärrys riittää (periaatteessa)? Mitä (siellä) oikeasti on? Kari Enqvistin, Esko Valtaojan, monet Pietiläisen kääntämät,... kirjat

5 ARKIPÄIVÄSTÄ TIETEESEEN 5 Järjestelmällistä tiedonhankintaa, esim. ympäröivästä luonnosta Arkipäivän havainnot ja kokemukset yritys ja erehdys Suunnitelmallinen havaintojen tekeminen, tulkinta, jäsentely, ymmärrys ja ennustaminen Tieteen erityispiirteitä: yleinen käsitteistö, ei kulttuuririippuvutta totuus tai todennäköisyys, kokeell. havainnot ristiriidattomuus julkisuus, ei auktoriteetteja kriittisyys: itseään korjaava kumuloituvuus: edistyvä

6 RAUTALANKAMALLI TIETEESTÄ KIVIKAUDELTA 6 Vipu Voin selittää sinulle tämän F 1 D 1 = F 2 D 2

7 VAI OLIKO SE VASTA ARKHIMEDES? 7 Antakaa minulle kiinteä piste...

8 INNOVAATIO 8 WIKIPEDIA: Innovaatio eli uudennus on jokin uutuus: -keksintö -idea -käytäntö -tuote PERUSTUEN TUNNETTUUN TIETOON! Mikä se on? Ideat ja keksinnöt eivät vielä tee yrityksestä innovatiivista. Yrityksen on osattava myös kehittää ja jatkojalostaa ne valmiiksi tuotteiksi, prosesseiksi tai toimintatavoiksi.

9 INNOVAATIOITA VIVUSTA TEKNIIKKAA 9 Vipu: F 1 D 1 = F 2 D 2 Vaaka, keinulauta, väkipyörä, vinssi, sorkkarauta, kiila, kalteva taso, ruuvi,...

10 TIEDE INNOVAATIOT JA TEKNIIKKA 10 Hieman yksinkertaistaen voidaan sanoa, että pääpainoisesti tiede innovaatiot YLIOPISTOISSA YRITYKSISSÄ Rahasta tietoa Tiedosta rahaa Rajanveto ei kuitenkaan ole selvää eikä se ole tarpeenkaan

11 MATERIAALIFYSIIKKA 11 Teknologia: ja uudet fysiikan tutkimukseen perustuvat materiaalit nanoteknologia: top down bottom up

12 AINEIDEN OMINAISUUDET 12 Mistä aineiden ominaisuudet pohjimmiltaan tulevat? mekaaniset termiset sähköiset/magneettiset optiset... ELEKTRONIRAKENNE!

13 ELEKTRONIRAKENNE 13 Schrödingerin yhtälö stationäärisille tiloille N 1 N i + + V(R) Ψ k (R) = E k Ψ k (R) i=1 i< j=1 r ij missä R = {r1, r2,..., rn, }. ja/tai aikaevoluutiolle N i + i=1 N 1 i< j=1 r ij + V(R,t) Ψ(R,t) = i t Ψ(R,t) Aaltofunktio Ψ(R,t) = Ψ(r 1,r 1,..., r N,t) on kaikki, mitä tarvitaan selittämään ja määrittämään materiaalien (lähes) kaikki ominaisuudet. Tämä on monen kappaleen ongelma!

14 14 SOFTWARE: DFT ACADEMIC/COMMERCIAL CODES: PlaneWave basis PBC localized (atomic) basis Real-space grid ASE: (Gromacs,...) DMol 3 PBC and finite finite

15 TEOREETTINEN JA LASKENNALLINEN TAMPERE 15 Tampereen teknillisen yliopiston laskennallisen fysiikan ryhmät Biologinen fysiikka Elektronirakenneteoria Materiaalit ja molekyläärinen mallinnus Spektroskopia ja kompleksiset materiaalit Pinnat ja rajapinnat nanomittakaavassa Fysiikan popularisointia:

16 ELEKTRONI- RAKENNETEORIA Electronic Structure Theory 16 Research Fields Many-body Physics of Electrons! Quantum dynamics of light matter interaction! Development of Quantum Monte Carlo approach! Development of Density Functional Theory! Finite temperature quantum statistics Materials Physics and Chemistry! Compound semiconductors: bulk defects, surfaces, interfaces, nanostructures! Organic materials, photoabsorption, electron transfer, nanostructures! Finite temperature Quantum Chemistry The last few years O. Cramariuc: PhD Thesis (2006) H-P. Komsa: PhD Thesis (2008) SiO 2 M. Leino: PhD Thesis (2007) M. Mäki-Jaskari: PhD Thesis (2004) The Present and The Challenges Ground State and Excited States Eigenvalue Problem! At zero-kelvin Electronic structure is the basic concept behind structure and properties of matter! Temperature or Time Dependent States Quantum Statistics! Feynman path-integral approach ~trantala/popular/ posters/est-group.pdf Hartree Fock, CI, MCHF! Density Functional Theory (DFT the work horse ) Robust Solution to the Semiconductor Explicit Time Propagation! At zero-kelvin! Time-Dependent DFT (TDDFT) BAND GAP PROBLEM! Evaluation of the missing discontinuity: Total (solid curve), LDA KS (square) and GGA-KS (circle) compared with the experimental (star).! Further work ongoing Applications with DFT Surface physics and chemistry! Adsorption of small and aromatic molecules! Adsorbate (quantum) dynamics! Van der Waals interaction! Magnetic defects Compound semiconductor physics! Surface and interface electronic structure: bands and charge carriers! X-STM image simulation! Defect structure and (formation) energies! Optical properties (light matter interaction) Path Integral Monte Carlo (PIMC)! Explicitly temperature dependent NVT-ensemble simulation! Full account of electronic correlations! Allows model and calculations beyond Born Oppenheimer approximation, i.e., potential energy surface (PES)! Accepting the challenge of FERMION SIGN PROBLEM! T>0 Ab Initio Quantum Chemistry Small molecules and atoms! H 2+, He, H, H 2, Ps 2, H 3 + H 2 +H + H 2 + +H, so far! Finite temperature included! Exact correlation, nodal surfaces for exchange Continuous/periodic systems! Two-component Fermi sea: e p +, e e +! LDA type correlation functional for the above Ab initio chemical reactions! Dissociation recombination in thermal equilibr.! Model for on or beyond BO-PES! Work for time dependence in progress! Fundamental issues in classical to quantum transition: decoherence!

17 ELEKTRONIRAKENNETEORIA- PALETTI 17 Yhdistepuolijohteiden fysiikka (Bio)moleculaarinen (opto)elektroniikka (100) CBM VBM LUMO (110) HOMO Pintatiede Polkuintegraali-kvantti Monte Carlo

18 ELEKTRONIRAKENNETEORIA 18

19 19 Ilkka Kylänpää and Tapio T. Rantala, Electronic Structure Theory, Department of Physics Ab Initio at T>0 Introduction We present a novel finite temperature, T > 0, approach to quantum chemistry and its application to small molecules. Descriptive quantum statistics (molecular Z, S, F) and parameters (E, geometry) are evaluated. H 3 + Molecular Ion Path Integral Quantum Monte Carlo (PIMC) Ps 2 Molecule Binding energy of the molecule is about 0.4 ev! 5000K. We predict, however, its thermal dissociation at about 1000 K, already, due to exceptionally large entropy factor lowering the free energy at low densities [1]. Conclusion For the first time the first-principles electronic structure approach has been successfully extended to finite temperatures and beyond Born Oppenheimer approximation, and furthermore, to chemical reactions. References 1.Ilkka Kylänpää and Tapio T. Rantala, Physical Review A 80, (2009). 2.Ilkka Kylänpää and Tapio T. Rantala, Journal of Chemical Physics 133, (2010); and submitted to Journal of Chemical Physics,

20 ALTERNATIVE APPROACHES: FEYNMAN PATH INTEGRALS 20 Feynman path integral description of quantum statistics (in imaginary time): finite temperature, T > 0 partition function expectation values including exact many-body interactions! Monte Carlo for evaluation of multidimensional integrals. (Stochastic methods)

21 QUANTUM DOTS, ATOMS AND SMALL MOLECULES 21 A COUPLE OF ELECTRONS IN QUANTUM DOTS M. Leino & TTR, Physica Scripta T114, 44 (2004) M. Leino & TTR, Few Body Systems 40, 237 (2007) ELECTRON AND PROTON QUANTUM DYNAMICS I. Kylänpää, M. Leino & TTR, PRA 76, (2007) THERMAL DISSOCIATION OF DIPOSITRONIUM Cassidy & Mills Jr.: Exp. obs. of Ps 2, Nature 449, 195 (2007) I. Kylänpää & TTR, PRA 80, (2009) e p + p + e e + e + e M. Leino: PhD Thesis (2007)