Extending Non-Perturbative Simulation Techniques for Open-Quantum Systems to Excited-State Proton Transfer and Ultrafast Non-Adiabatic Dynamics

非绝热的 激发态 物理 量子 绝热过程 量子动力学 质子 化学物理 反应动力学 量子力学 分子
作者
Brieuc Le Dé,Simon Huppert,Riccardo Spezia,Alex W. Chin
出处
期刊:Journal of Chemical Theory and Computation [American Chemical Society]
卷期号:20 (20): 8749-8766
标识
DOI:10.1021/acs.jctc.4c00666
摘要

Excited state proton transfer is an ubiquitous phenomenon in biology and chemistry, spanning from the ultrafast reactions of photobases and acids to light-driven, enzymatic catalysis and photosynthesis. However, the simulation of such dynamics involves multiple challenges, since high-dimensional, out-of-equilibrium vibronic states play a crucial role, while a fully quantum description of the proton's dissipative, real-space dynamics is also required. In this work, we extend the powerful matrix product state approach to open quantum systems (TEDOPA) to study these demanding dynamics, and also more general nonadiabatic processes that can appear in complex photochemistry subject to strong laser driving. As an illustration, we initially consider an open model of a four-level electronic system interacting with hundreds of intramolecular vibrations that drive ultrafast excited state proton transfer, as well as an explicit photonic environment that allows us to directly monitor the resulting dual fluorescence in this system. We then demonstrate how to include a continuous "reaction coordinate" of the proton transfer that allows numerically exact simulations that can be understood, visualized and interpreted in the familiar language of diabatic and adiabatic dynamics on potential surfaces, while also retaining an exact quantum treatment of dissipation and driving effects that could be used to study diverse problems in ultrafast photochemistry.
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