基于GPUs的四原子非绝热反应量子态分辨的散射动力学研究

Nonadiabatic effect is of great importance in fundamental chemical reactions and has been the frontier in chemical research. Although nonadiabatic quantum dynamical calculations have been applied in many benchmark triatomic systems, investigations on tetra-atomic systems or even more complicated polyatomic systems remain great challenges in dynamical calculations. As is known, the state-to-state quantum dynamical results provide the most detailed description of the reaction. However, the dynamical calculations of the theoretical research need a lot of computer memory and can be time consuming. Therefore, in the present project the state-to-state nonadiabatic process of the tetra-atomic system will be developed and parallelly implemented on GPUs(Graphics Processing Units).The efficiency of the wave-packet transformation between the reactant and product coordinates will be raised for saving time when the dynamics code is debugged.The present code will be also be compared with the previous one in the computing speed and computing capacity. In the end, the detailed dynamical information of several prototype tetra-atomic reactions will be obtained with the present code. In the meanwhile, the influence of the nonadiabatic effect on the tetra-atomic reactions and the mechanism of the reactions will also be discussed in the project.

非绝热效应在化学反应中具有非常重要的作用，也一直是各个化学领域研究的前沿和难点。目前非绝热量子动力学计算已经在很多三原子体系上实现，但是四原子或者更多原子体系的研究，因为其计算量大,需要时间多，在计算上仍然是很大的挑战。另外，为了能够给出碰撞过程中的详细动力学信息，我们需要对体系进行态态量子动力学计算，这样又进一步增加了计算的难度。GPUs(Graphics Processing Units)能够提供数百个计算核心提高计算效率，所以在本项目中我们将自主编写一套四原子体系非绝热态态量子动力学程序，并实现GPUs/CPUs并行化。在程序的调试、测试过程中，我们将发展新的坐标变化方法，比较不同的坐标变换方法在消耗内存，计算时间方面的差别，希望能够提高计算效率。最后，我们将应用该程序研究几个典型的四原子碰撞非绝热反应，给出反应的详细动力学信息，讨论非绝热效应对四原子碰撞反应的影响，揭示反应的机理。

GPU能够提供几千个核来加速含时量子波包程序研究基元化学反应的动力学过程。本课题在基金的支持下，主要开展了两方面的工作。首先我们考虑将四原子的非绝热含时量子波包程序修改成GPU并行，目前已经初步完成了程序的编写工作，结果仍在调试阶段。同时，我们继续完善基于GPU的三原子含时量子波包程序，并用该程序计算了几个反应体系及他们的同位素反应的详细的态-态动力学过程。. 首先是Li+HD+(v=0,1)反应体系，计算预测v=1反应的总反应速率常数比v=0的总反应速率常数高几个数量级，特别是反应低温区域。同一个反应，相对于LiH，LiD倾向于处于更高的转动激发态。反应物HD+的振动激发能够促进产物LiH和LiD的生成，并使得他们被激发到更高的振转态上。该体系的产物角度分布的研究表明，反应物的平动和振动激发能够有效增加产物的前向散射，产物的角度分布可归因于不同的J值波函数的贡献。其次是C++H2(v=0,1)反应体系，计算给出了200-5000K温度范围内精确的产物的总反应速率与态分辨的反应速率。结果表明v=0反应倾向于生成处于振动基态v′=0和高旋转激发态j′=4,5的产物CH+。而v=1反应，则是产物v′=0振动状态下j′=6-8的反应速率常数为最大。此外,其同位素反应C++HD(v=0)详细的动力学计算结果表明，对于CH+和CD+，低转动激发态的产物主要由低J反应产生，高转动激发态产物主要由中等和高J碰撞产生，中等的转动激发态的产物源自于较大范围内的J值反应。. 以上体系的动力学计算一方面有利于推导四原子含时量子波包计算程序中相应公式的，便于我们更加深入了解计算程序包的代码编写工作，另一方面这几个反应是星际化学中重要的反应，对于我们探究宇宙的形成以及演化过程及星际中离子的振转态具有非常重要的作用。