Nội dung

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH La Dũng Kiệt HIỆU ỨNG DAO ĐỘNG CỦA π-ELECTRON ĐƠN HƯỚNG TRONG CÁC PHÂN TỬ VÒNG THƠM ĐỐI XỨNG THẤP LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT Thành phố Hồ Chí Minh – 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH La Dũng Kiệt HIỆU ỨNG DAO ĐỘNG CỦA π-ELECTRON ĐƠN HƯỚNG TRONG CÁC PHÂN TỬ VÒNG THƠM ĐỐI XỨNG THẤP Chuyên ngành : Vật lí nguyên tử và hạt nhân Mã số : 8440106 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS. TSKH. LÊ VĂN HOÀNG Thành phố Hồ Chí Minh - 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu do tôi thực hiện. Các kết quả được trình bày trong luận văn là trung thực và chưa được thực hiện trước đây. TP Hồ Chí Minh, ngày 23 tháng 11 năm 2018 La Dũng Kiệt LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện luận văn thạc sĩ, tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ và động viên từ thầy cô, gia đình và bạn bè: - Đầu tiên, tôi xin gửi lởi cảm ơn chân thành đến GS. TSKH Lê Văn Hoàng, người thầy hướng dẫn đã chỉ bảo và tạo động lực rất nhiều cho tôi trong quá trình thực hiện luận văn. - Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS. Hirobumi Mineo, là người thầy đã hướng dẫn tôi rất chi tiết từ những điều cơ bản nhất, giúp tôi giải quyết những vấn đề thắc mắc và là người đồng hành với tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn. - Ngoài ra, tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến TS. Hoàng Văn Hưng và TS. Phan Thị Ngọc Loan, hai thầy cô đã giúp đỡ tôi tháo gỡ những khó khắn trong quá trình thực hiện đề tài và tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi có thể làm việc. - Với lòng biết ơi sâu sắc, tôi xin cảm ơn thầy, cô ở khoa vật lý, Trường Đại học Sư phạm TP. Hồ Chí Minh và thầy, cô giảng dạy chương trình cao học đã giảng dạy cho tôi những kiến thức quý báu trong suốt quá trình học tập tại trường. - Tôi xin cảm ơn phòng Đào tạo sau đại học, trường Đại học sư phạm TP. Hồ Chí Minh đã tận tình hướng dẫn mọi thủ tục trong thời gian tôi học tập tại trường. Xin chân thành cảm ơn. TP Hồ Chí Minh, ngày 23 tháng 11 năm 2018 La Dũng Kiệt MỤC LỤC Danh sách hình vẽ Trang Danh sách đồ thị Danh sách các từ viết tắt MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 1 Chương 1. SỰ XOAY VÒNG CỦA π-ELECTRON TRONG TRƯỜNG LASER ............................................................................................................... 8 1.1. Sự chuyển động của π-electron trong trường laser ........................................ 8 1.2. Sự kết hợp của mô-men động lượng điện tử ............................................... 10 1.3. Sự xoay vòng của π-electron trong phân tử đối xứng thấp .......................... 12 Chương 2. LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN DAO ĐỘNG HẠT NHÂN.............. 16 2.1. Phương pháp gần đúng Born-Oppenheimer ................................................ 16 2.2. Nguyên lý dịch chuyển Franck-Condon...................................................... 20 2.3. Phương trình mô-men động lượng có dao động hạt nhân ............................ 24 Chương 3. ÁP DỤNG CHO PHÂN TỬ TOLUENE ..................................... 27 3.1. Phân tử Toluene ......................................................................................... 27 3.2. Trường hợp không có dao động hạt nhân.................................................... 30 3.3. Trường hợp có dao động hạt nhân .............................................................. 34 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ...................................................... 40 TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................... 42 DANH SÁCH HÌNH VẼ Trang Hình 1.1. Hai trạng thái kích thích điện tử suy biến dựa vào dịch chuyển Stark với tần số Rabi ( 1 và  2 ) khi sử dụng hai laser phân cực thẳng với tần số ( a , b ) và độ lệch tần số ( 1 ,  2 ) ..................................................................................... 13 Hình 2.1. Ký hiệu tọa độ điện tử và hạt nhân cho phân tử H 2 trong hệ tọa độ Oz ....................................................................................................................... 17 Hình 2.2. Đường cong thế năng của trạng thái điện tử ở trạng thái cơ bản và trạng thái điện tử kích thích với các mức dao động hạt nhân ................................... 21 Hình 3.1. (a) Cấu trúc hình học phân tử Toluene (Cs) trong trạng thái cơ bản (S0) và hướng của hai vectơ mô-men chuyển đổi lưỡng cực μ 01 và μ 02 ; (b) tham số của ba trạng thái kích thích của điện tử áp dụng cho việc tạo ra mô-men động lượng đơn hướng 12  0.1eV ,  10  x  2.082au và  20  y  2.231au ............................ 28 DANH SÁCH ĐỒ THỊ Trang Hình 3.2. Giá trị khả dĩ của toán tử mô-men động lượng cho phân tử Toluene, L(t) (đơn vị: ), (a) thể hiện pha ban đầu của hai laser là    / 2 , (b) thể hiện pha ban đầu của hai laser là    / 2 .......................................................................... 31 Hình 3.3. Các giá trị khả dĩ của toán tử mô-men động lượng cho phân tử Toluene, L(t) (đơn vị: ) trong trường hợp Fa  1.5GV / m, Fa  2GV / m, Fa  4GV / m với pha ban đầu của hi laser là    / 2 ....................................................................... 32 Hình 3.4. (a) Giá trị khả dĩ của toán tử mô-men động lượng L(t) (đơn vị: ) với cường độ laser Fa  1.5GV / m , (b) Xác suất của trạng thái cơ bản S0 và hai trạng thái kích thích S1, S2 ....................................................................................... 33 Hình 3.5. (a) Các giá trị khả dĩ của toán tử mô-men động lượng cho phân tử Toluene L(t) (đơn vị: ) trong trường hợp Fa  1.5GV / m với pha ban đầu của hai laser là    / 2 , (b) Xác suất của trạng thái cơ bản S0 và hai trạng thái kích thích S1, S2 .............................................................................................................. 34 Hình 3.6. (a) Các giá trị khả dĩ của toán tử mô-men động lượng cho phân tử Toluene L(t) (đơn vị: ) trong trường hợp Fa  2GV / m với pha ban đầu của hai laser là    / 2 , (b) Xác suất của trạng thái cơ bản S0 và hai trạng thái kích thích S1, S2 .............................................................................................................. 36 Hình 3.7. (a) Các giá trị khả dĩ của toán tử mô-men động lượng cho phân tử Toluene, L(t) (đơn vị: ) trong trường hợp Fa  4GV / m với pha ban đầu của hai laser là    / 2 , (b) Xác suất của trạng thái cơ bản S0 và hai trạng thái kích thích S1, S2 .............................................................................................................. 36 Hình 3.8. Xác suất tại trạng thái kích thích S 2  v  1 với các cường độ laser Fa  1.5GV / m , Fa  2GV / m , Fa  4GV / m ......................................................... 38 DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT UV Ultra-Short Violet (tia cực tím) MO Molecular orbital (orbital phân tử) LCAO MO Linear combination of atomic orbitals and molecular orbital (Tổ hợp tuyến tính của orbital nguyên tử và orbital phân tử) AO Atomic orbital (Orbital nguyên tử) a.u Atomic unit (hệ đơn vị nguyên tử) TD-DFT Time-dependent density functional theory (Lý thuyết phiếm hàm mật độ thời gian) MP2 Møller–Plesset perturbation theory 2 (Lý thuyết nhiễu loạn Møller–Plesset thứ hai) a.m.u Atomic mass unit (hệ đơn vị khối lượng nguyên tử) CASSCF Complete active-space self-consistent field (trường tự hợp không gian hoạt động) MRCI Multireference configuration interaction (Tương tác cấu hình đa điểm) 1 MỞ ĐẦU Trong sự phát triển không ngừng của cuộc sống, vật lý đã và luôn đóng góp rất nhiều thành tựu lo lớn vào sự phát triển của khoa học với rất nhiều hướng nghiên cứu khác nhau, một trong số đó là tìm hiểu về động học của các điện tử bên trong phân tử, nguyên tử và đây là một trong những hướng nghiên cứu thu hút rất nhiều quan tâm của các nhà khoa học, cụ thể là sự tương tác giữa laser và các điện tử bên trong các phân tử, nguyên tử. Những tiến bộ về khoa học và công nghệ laser gần đây đã tạo ra được các laser xung cực ngắn ở cấp độ atto giây, cũng chính là cấp độ chuyển động của điện tử xung quanh hạt nhân. Đây là công cụ thích hợp để nghiên cứu động học của điện tử trong nguyên tử, phân tử [1], [2], [3], [4], ví dụ như π-electron trong phân tử vòng thơm [5], khi có sự kích thích thì π-electron trong phân tử vòng thơm sẽ xoay vòng. Đặc biệt, π-electron là tác nhân làm cho các phản ứng hóa học xảy ra nhanh, nguyên nhân là do sự bất định hướng của πelectron trong phân tử vòng thơm, cho nên nó có vai trò rất quan trọng trong hóa học. Do vậy, việc nghiên cứu sự xoay vòng của π-electron trong phân tử vòng thơm sẽ có đóng góp lớn cho ngành quang điện tử, ví dụ như thiết kế ra các thiết bị chuyển mạch hữu cơ cực nhanh trong tương lai [6], [7]. Một trong các nghiên cứu quan trọng về tương tác laser với vật chất [8] là bài toán kiểm soát được sự xoay vòng của π-electron trong các phân tử vòng thơm khi có sự kích thích của laser hay cụ thể hơn đó là điều khiển được hướng và độ lớn mô-men động lượng của π-electron trong phân tử vòng thơm khi có sự tương tác của laser [5]. Ngoài ra, hướng nghiên cứu về kiểm soát lượng tử cũng là một cách tiếp cận hiệu quả trong nghiên cứu về hóa học, vật lý và trong công nghiệp. Kiểm soát được sự xoay vòng của π-electron trong các phân tử vòng thơm có thể tạo ra được nguyên lý cho các thiết bị chuyển đổi cực nhanh trong tương lai [6], [7]. Một