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Academic Year/course: 2021/22

31246 - EXCITED STATES

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Information of the subject

Code - Course title:
31246 - EXCITED STATES
Degree:
616 - Máster en Química Teórica y Modelización Computacional (2013)
651 - Máster Erasmus Mundus en Química Teórica y Modelización Computacional
748 -
751 - Máster en Química Teórica y Modelización Computacional Europeo
762 -
Faculty:
104 - Facultad de Ciencias
Academic year:
2021/22

1. Course details

1.1. Content area

Excited States

1.2. Course nature

Optional

1.3. Course level

Máster (EQF/MECU 7)

1.4. Year of study

1

1.5. Semester

Annual

1.6. ECTS Credit allotment

5.0

1.7. Language of instruction

English

1.8. Prerequisites

There are no previous prerequisites.

1.9. Recommendations

There are no recommendations.

1.10. Minimum attendance requirement

Attendance is mandatory.

1.11. Subject coordinator

Lara Martinez Fernandez

  https://autoservicio.uam.es/paginas-blancas/

1.12. Competences and learning outcomes

1.12.1. Competences

BASIC AND GENERAL COMPETENCES

CB6 – Students possess and understand knowledge that provides a basis or opportunity to be original in the development and/or application of ideas, often in a research context.

CB7 - Students know how to apply the acquired knowledge and their problem solving capacity in new or little known environments within broader (or multidisciplinary) contexts related to their area of ​​study.

CB9 - Students know how to communicate their conclusions and the knowledge and reasons that support them to specialized and non-specialized audiences in a clear and unambiguous way.

CB10 - Students possess the learning skills that allow them to continue studying in a way that will be self-directed or autonomous.

CG01 - Students are able to foster, in academic and professional contexts, technological and scientific progress within a society based on knowledge and respect for: a) fundamental rights and equal opportunities between men and women, b) The principles of equal opportunities and universal accessibility for persons with disabilities, and c) the values ​​of a culture of peace and democratic values.

CG04 - Students develop a critical thinking and reasoning and know how to communicate them in an egalitarian and non-sexist way both in oral and written form, in their own language and in a foreign language.

 

CROSS-COMPREHENSIVE COMPETENCES

CT03 - Students have the ability of analyze and synthesize in such a way that they can understand, interpret and evaluate the relevant information by assuming with responsibility their own learning or, in the future, the identification of professional exits and employment fields

 

SPECIFIC COMPETENCES

CE04 - Students understand the theoretical and practical bases of computational techniques with which they can analyze the electronic, morphological and structural structure of a compound and interpret the results adequately.

CE27 - Students are familiar with the fundamentals of the methods used to treat excited states and are able to handle the most frequently used programs for the treatment of excited states

1.12.2. Learning outcomes

The present course aims to familiarize students with the treatment of both rovibrational and electronic excited states. At the end of the course, the student is expected to know the foundations of the most popular methods and to be able to manage the most frequently used programs for the treatment of excited states.

1.12.3. Course objectives

-

1.13. Course contents

1. Potential energy surfaces

  • Born-Oppenheimer approximation
  • Potential energy curves for diatomic molecules
  • Potential energy surfaces for poliatomic molecules.

2. Interaction radiation-matter

  • Classical model for electromagnetic radiation
  • Transition probabilities induced by radiation

3. Rovibrational spectra.

  • Diatomic molecules: energy levels, selection rules.
  • Pure rotational spectra and rovibrational spectra in diatomic molecules
  • Polyatomic molecules: classical vibrations and quantum vibrations.
  • Rovibrational spectra in polyatomic molecules
  • Vibrational relaxation in liquids: experimental methods and theoretical treatments.

4.  Basic Concepts in Modern Molecular Photochemistry

  • Light absorption: (Electromagnetic radiation, the Lambert-Beer law, Absorption spectra, Franck-Condon principle, Transition dipole moment, Classical and quantum mechanical harmonic oscillator, Selection rules, Electronic transitions)
  • Deactivation of excited states: (Energy and electron transfer, Jablonski diagrams, Vibrational relaxation, Radiative and non radiative transitions, Franck-Condon principle for radiationless transitions, the Energy gap law, Time scales and quantum yields, Fermi’s golden rule)
  • Excited potential energy surfaces: (surface crossings, photochemical reaction paths, Examples).

 5. Quantum Chemical Calculations of Excited States: Multiconfigurational Methods.

  • Electron correlation in molecules.
  • Electronic Structure methods for excited states. Monoconfigurational vs. multiconfigurational methods. CASSCF and RASSCF methods. Choice of the active space. Single vs. state-average calculations. Basis sets considerations.
  • Introducing dynamical correlation: the CASPT2 method.
  • CASPT2 problems and solutions: intruder states, avoided crossings and valence-Rydberg mixing. The level shift technique and Multistate-CASPT2.
  • Examples.

6. Quantum Chemical Calculations of Excited States: TD-DFT Methods.

  • DFT, Runge-Gross theorems, linear response TDDFT, propagation of the electronic density.
  • Spectra calculation, approximation of xc-functionals,
  • Examples.

7. Dynamics simulations: Wave Packet propagations.

  • Time-evolution operator, Propagation, Relaxation method, Filtering method. Interaction with an electric field. Correlation functions, Spectra and eigenfunctions. Pump-probe spectroscopy and control.

8. TD-DFT for ultrafast dynamics.

  • Ab initio molecular dynamics: Born-Oppenheimer and Ehrenfest dynamics. Nonadiabatic dynamics, Tully's surface hopping. Examples of nonadiabatic ab initio molecular dynamics. Addition of environmental effects: Electromagnetic fields and solvents

1.14. Course bibliography

  • A. Requena y J. Zúñiga, Espectroscopía (Pearson Education, Madrid, 2004).
  • P.F. Bernath, Spectra of Atoms and Molecules (Oxford University Press, Nueva York, 1995).
  • J. L. McHale, Molecular Spectroscopy (Prentice Hall, New Jersey, 1999).
  • J. I. Steinfeld, Molecules and Radiation (The MIT Press, Cambridge, 1989).
  • W. S. Struve, Fundamentals of Molecular Spectroscopy (Wiley, Nueva York, 1989).
  • S. Svanberg, Atomic and Molecular Spectroscopy (Springer-Verlag, Berlín, 2001).
  • J. M. Hollas, Modern Spectroscopy (Wiley, Chichester, 1996).
  • I. N. Levine, Molecular Spectroscopy (Wiley, 1980)
  • C.A. Ullrich, Time-Dependent Density-Functional Theory: Concepts and Applications (Oxford University Press, USA, 2012).
  • D. Marx and J. Hutter, Ab Initio Molecular Dynamics: Basic Theory and Advanced Methods, 1st ed. (Cambridge University Press, Cambridge, 2009).
  • D.J. Tannor, Introduction to Quantum Mechanics: A Time-Dependent Perspective (University Science Books, 2006).
  • edited by M.A.L. Marques, C.A. Ullrich, F. Nogueira, A. Rubio, K. Burke, and E.K.U. Gross, Time-Dependent Density Functional Theory, 1st ed. (Springer, 2006).
  • M.A.L. Marques and E.K.U. Gross, Annual Review of Physical Chemistry 55, 427-455 (2004).
  • P.W. Brumer and M. Shapiro, Principles of the Quantum Control of Molecular Processes, illustrated ed. (Wiley-Interscience, 2003).
  • L. Serrano-Andrés and M. Merchán, Spectroscopy: Applications in Encyclopedia of Computational Chemistry (John Wiley & Sons, Ltd, 2004).
  • S.A. Rice and M. Zhao, Optical Control of Molecular Dynamics, 1st ed. (Wiley-Interscience, 2000).
  • edited by B.O. Roos, Lecture Notes in Quantum Chemistry II: European Summer School in Quantum Chemistry, 1st ed. (Springer-Verlag, 1994).
  • E.K.U. Gross, J.F. Dobson and M. Petersilka, in Density Functional Theory II, edited by R. Nalewajski (Springer Berlin / Heidelberg, 1996), pp. 81-172.
  • N.J. Turro, Modern Molecular Photochemistry (University Science Books, Mill Valley, California, 1991).
  • B.O. Roos, Ab initio methods in quantum chemistry II in Advances in Chemical Physics, edited by K. P. Lawley (John Wiley & Sons, Inc., 1987), pp. 399–445.
  • edited by M. Olivucci, Computational Photochemistry (Elsevier, Amsterdam, 2005).

2. Teaching-and-learning methodologies and student workload

2.1. Contact hours

 

# hours

Contact hours (minimum 33%)

35

Independent study time

90

2.2. List of training activities

Activity

# hours

Lectures

35

Seminars

 

Practical sessions

 

Clinical sessions

 

Computer lab

 

Laboratory

 

Work placement

 

Supervised study

 

Tutorials

 

Assessment activities

 

Other

 

Lectures: The Professor will deliver lectures about the theoretical contents of the course during two-hour sessions. The presentations will be based on the different materials available at the Moodle platform.

Network teaching: All the tools available at the Moodle website (https://posgrado.uam.es) will be used (uploading of teaching materials, utilization of work team strategies, wiki, blogs, e-mail, etc.).

Tutoring sessions: The professor can organize either individual or group tutoring sessions about particular topics and questions raised by students.

Online Seminars: After the lecturing period, online seminars between the Professor and the students will be arranged at the virtual classroom in order to discuss the results being obtained, the potential problems and difficulties in using the various methodologies as well as to supervise the preparation of the required reports

3. Evaluation procedures and weight of components in the final grade

3.1. Regular assessment

The knowledge acquired by the student will be evaluated along the course. The educational model to follow will emphasize a continuous effort and advance in training and learning.

The final student mark will be based on exercises that must be done during the course. The next criteria will be followed for assessment of student exercises:

  • 60% from the student report about the practical work and/or exercises.
  • 40% discussion of the subject during the practical sessions, including a small written test (10%).

3.1.1. List of evaluation activities

Evaluatory activity

%

Final exam

 

Continuous assessment

 

3.2. Resit

The student will have to face a final exam, including both theory and practical exercises. The student mark will be obtained from:

  • 80% from the individual work.
  • 20% from the final exam.

3.2.1. List of evaluation activities

Evaluatory activity

%

Final exam

20

Continuous assessment

80

4. Proposed workplan

Please, check the official schedule posted on the master website.


Curso Académico: 2021/22

31246 - ESTADOS EXCITADOS


Información de la asignatura

Código - Nombre:
31246 - ESTADOS EXCITADOS
Titulación:
616 - Máster en Química Teórica y Modelización Computacional (2013)
651 - Máster Erasmus Mundus en Química Teórica y Modelización Computacional
748 - Máster Erasmus Mundus en Química Teórica y Modelización Computacional
751 - Máster en Química Teórica y Modelización Computacional Europeo
762 - Máster en Química Teórica y Modelización Computacional (2021)
Centro:
104 - Facultad de Ciencias
Curso Académico:
2021/22

1. Detalles de la asignatura

1.1. Materia

Estados Excitados.

1.2. Carácter

Optativa

1.3. Nivel

Máster (MECES 3)

1.4. Curso

1

1.5. Semestre

Anual

1.6. Número de créditos ECTS

5.0

1.7. Idioma

English

1.8. Requisitos previos

No hay.

1.9. Recomendaciones

No hay.

1.10. Requisitos mínimos de asistencia

La asistencia a las clases es obligatoria.

1.11. Coordinador/a de la asignatura

Lara Martinez Fernandez

  https://autoservicio.uam.es/paginas-blancas/

1.12. Competencias y resultados del aprendizaje

1.12.1. Competencias

BÁSICAS Y GENERALES:

CB6 - Poseer y comprender conocimientos que aporten una base u oportunidad de ser originales en el desarrollo y/o aplicación de ideas, a menudo en un contexto de investigación.

CB7 - Que los estudiantes sepan aplicar los conocimientos adquiridos y su capacidad de resolución de problemas en entornos nuevos o poco conocidos dentro de contextos más amplios (o multidisciplinares) relacionados con su área de estudio.

CB9 - Que los estudiantes sepan comunicar sus conclusiones y los conocimientos y razones últimas que las sustentan a públicos especializados y no especializados de un modo claro y sin ambigüedades.

CB10 - Que los estudiantes posean las habilidades de aprendizaje que les permitan continuar estudiando de un modo que habrá de ser en gran medida autodirigido o autónomo.

CG01 - Los estudiantes son capaces de fomentar, en contextos académicos y profesionales, el avance tecnológico y científico dentro de una sociedad basada en el conocimiento y en el respeto a: a) los derechos fundamentales y de igualdad de oportunidades entre hombres y mujeres, b) los principios de igualdad de oportunidades y accesibilidad universal de las personas con discapacidad y c) los valores propios de una cultura de paz y de valores democráticos.

CG04 - Los estudiantes desarrollan un pensamiento y razonamiento crítico y saben comunicarlos de manera igualitaria y no sexista tanto en forma oral como escrita, en su lengua propia y en una lengua extranjera.

TRANSVERSALES:

CT03 - El/la estudiante posee capacidad de análisis y síntesis de tal forma que pueda comprender, interpretar y evaluar la información relevante asumiendo con responsabilidad su propio aprendizaje o, en el futuro, la identificación de salidas
profesionales y yacimientos de empleo.

ESPECÍFICAS:

CE04 - Comprende los fundamentos teóricos y prácticos de técnicas computacionales con las que puede analizar la estructura electrónica, morfológica y estructural de un compuesto e interpreta adecuadamente los resultados.

CE27 - Los estudiantes conocen los fundamentos de los métodos utilizados para el tratamiento de estados excitados y son capaces de manejar los programas de uso más frecuente para el tratamiento de estados excitados.

1.12.2. Resultados de aprendizaje

El curso pretende familiarizar a los estudiantes con el tratamiento de estados excitados, tanto rovibracionales como electrónicos. Al final del curso el estudiante conocerá los fundamentos de los métodos y será capaz de manejar los programas de uso más frecuente para el tratamiento de estados excitados.

1.12.3. Objetivos de la asignatura

-

1.13. Contenidos del programa

1. Funciones de energía potencial nuclear

  • Aproximación de Born-Oppenheimer
  • Curvas de energía potencial de moléculas diatómicas
  • Superficies de energía potencial de moléculas poliatómicas

2. Interacción de la radiación y la materia

  • Modelo clásico de la radiación electromagnética
  • Probabilidad de transición inducida por la radiación

3. Espectros rovibracionales:

  • Moléculas diatómicas: niveles de energía  y reglas de selección
  • Espectros rotacionales puros y rovibracionales en diatómicas.
  • Moléculas poliatómicas: vibraciones clásicas y vibraciones cuánticas.
  • Espectros rovibracionales en poliatómicas.
  • Relajación vibracional en líquidos: métodos experimentales y tratamientos teóricos

4.  Conceptos básicos en Fotoquímica Molecular

  • Absorción de luz: (Radiación electromagnética, la ley de Lambert-Beer, Espectros de absorción, principio de Franck-Condon, Momento dipolar de transición, Oscilador armónico clásico y su versión mecánico cuántica, Reglas de Selección, Transiciones electrónicas)
  • Desactivación de los estados excitados: (Transferencia de energía y electrónica, Diagramas de Jablonski, Relajación vibracional, Transiciones radiativas y no radiativas, principio Franck-Condon para transiciones no radiativas, Ley de la diferencia de energía, Escalas de tiempo y rendimientos cuánticos, Ley de oro de Fermi)
  • Superficies de energía potencial excitadas: (cruces entre superficies, caminos de reacción fotoquímicos, ejemplos).

5. Cálculos químico cuánticos de estados excitados: Métodos multiconfiguracionales.

  • Correlación electrónica en moléculas.
  • Métodos de estructura electrónica para el cálculo de estados excitados. Métodos monoconfiguracionales vs multiconfiguracionales. Métodos CASSCF y RASSCF. Selección del espacio activo. Cálculos single state vs. state-average. Consideraciones a la hora de elegir un conjunto de funciones de base.
  • Introducción de correlación dinámica: el método CASPT2.
  • Método CASPT2 problemas y soluciones: estados intrusos, cruces evitados y mezcla Rydberg-valencia. El método Level shift y MS-CASPT2
  • Ejemplos.

6. Cálculos químico cuánticos de estados excitados: Métodos TD-DFT.

  • DFT, teoremas de Runge-Gross, TDDFT en el régimen de respuesta lineal, propagación de la densidad electrónica.
  • Cálculo de espectros, aproximación de los funcionales xc.
  • Ejemplos.

7. Simulaciones dinámicas: Propagación de paquetes de onda.

  • Operador de evolución temporal, Propagación, Método de relajación, Método de filtrado. Interacción con un campo eléctrico. Funciones de correlación. Espectros y autofunciones. Espectroscopía bombeo-sonda y control.

8. Dinámicas ultrarrápidas con TD-DFT.

  • Dinámica molecular ab initio: Dinámicas Born-Oppenheimer y Ehrenfest. Dinámicas no adiabáticas, Tully's surface hopping. Ejemplos de dinámicas moleculares ab initio no adiabáticas. Incorporación de efectos del entorno: campos electromagnéticos y disolvente.

1.14. Referencias de consulta

  • A. Requena y J. Zúñiga, Espectroscopía (Pearson Education, Madrid, 2004).
  • P.F. Bernath, Spectra of Atoms and Molecules (Oxford University Press, Nueva York, 1995).
  • J. L. McHale, Molecular Spectroscopy (Prentice Hall, New Jersey, 1999).
  • J. I. Steinfeld, Molecules and Radiation (The MIT Press, Cambridge, 1989).
  • W. S. Struve, Fundamentals of Molecular Spectroscopy (Wiley, Nueva York, 1989).
  • S. Svanberg, Atomic and Molecular Spectroscopy (Springer-Verlag, Berlín, 2001).
  • J. M. Hollas, Modern Spectroscopy (Wiley, Chichester, 1996).
  • I. N. Levine, Molecular Spectroscopy (Wiley, 1980)
  • C.A. Ullrich, Time-Dependent Density-Functional Theory: Concepts and Applications (Oxford University Press, USA, 2012).
  • D. Marx and J. Hutter, Ab Initio Molecular Dynamics: Basic Theory and Advanced Methods, 1st ed. (Cambridge University Press, Cambridge, 2009).
  • D.J. Tannor, Introduction to Quantum Mechanics: A Time-Dependent Perspective (University Science Books, 2006).
  • edited by M.A.L. Marques, C.A. Ullrich, F. Nogueira, A. Rubio, K. Burke, and E.K.U. Gross, Time-Dependent Density Functional Theory, 1st ed. (Springer, 2006).
  • M.A.L. Marques and E.K.U. Gross, Annual Review of Physical Chemistry 55, 427-455 (2004).
  • P.W. Brumer and M. Shapiro, Principles of the Quantum Control of Molecular Processes, illustrated ed. (Wiley-Interscience, 2003).
  • L. Serrano-Andrés and M. Merchán, Spectroscopy: Applications in Encyclopedia of Computational Chemistry (John Wiley & Sons, Ltd, 2004).
  • S.A. Rice and M. Zhao, Optical Control of Molecular Dynamics, 1st ed. (Wiley-Interscience, 2000).
  • edited by B.O. Roos, Lecture Notes in Quantum Chemistry II: European Summer School in Quantum Chemistry, 1st ed. (Springer-Verlag, 1994).
  • E.K.U. Gross, J.F. Dobson and M. Petersilka, in Density Functional Theory II, edited by R. Nalewajski (Springer Berlin / Heidelberg, 1996), pp. 81-172.
  • N.J. Turro, Modern Molecular Photochemistry (University Science Books, Mill Valley, California, 1991).
  • B.O. Roos, Ab initio methods in quantum chemistry II in Advances in Chemical Physics, edited by K. P. Lawley (John Wiley & Sons, Inc., 1987), pp. 399–445.
  • edited by M. Olivucci, Computational Photochemistry (Elsevier, Amsterdam, 2005)

2. Metodologías docentes y tiempo de trabajo del estudiante

2.1. Presencialidad

 

#horas

Porcentaje de actividades presenciales (mínimo 33% del total)

35

Porcentaje de actividades no presenciales

90

2.2. Relación de actividades formativas

Actividades presenciales

Nº horas

Clases teóricas en aula

35

Seminarios

 

Clases prácticas en aula

 

Prácticas clínicas

 

Prácticas con medios informáticos

 

Prácticas de campo

 

Prácticas de laboratorio

 

Prácticas externas y/o practicum

 

Trabajos académicamente dirigidos

 

Tutorías

 

Actividades de evaluación

 

Otras

 

Lección Magistral: El profesor expondrá los contenidos del curso en sesiones presenciales de dos horas basándose en los materiales docentes publicados en la plataforma Moodle.

Docencia en red: Se utilizará las distintas herramientas que ofrece la plataforma moodle (https://posgrado.uam.es). Publicación de contenidos de la asignatura,herramientas de trabajo en grupo: foros de discusión y wiki, correo electrónico.

Tutorías: El profesor realizará tutorías individuales o con grupos reducidos sobre cuestiones puntuales que los estudiantes puedan plantear.

Seminarios online: Con posterioridad a las clases expositivas, se realizarán seminarios online para discutir los resultados obtenidos en los trabajos propuestos, las dudas sobre las metodologías empleadas, y supervisar la preparación de los
informes elaborados por los estudiantes.

3. Sistemas de evaluación y porcentaje en la calificación final

3.1. Convocatoria ordinaria

Los conocimientos adquiridos por el estudiante serán evaluados a lo largo de todo el curso, intentando que el estudiante avance de forma regular y constante en la asimilación de los contenidos de la asignatura.

La nota final de la asignatura se basará en los ejercicios, trabajos y discusión de los mismos que se irá realizando durante el curso. Dichos trabajos se puntuarán en base a los siguientes porcentajes:

  • 60 % Realización de un trabajo propuesto.
  • 40 % Discusión de la materia durante las prácticas, incluyendo una pequeña prueba escrita (10%).

3.1.1. Relación actividades de evaluación

Actividad de evaluación

%

Examen final (máximo 70% de la calificación final o el porcentaje que figure en la memoria)

10

Evaluación continua

90

3.2. Convocatoria extraordinaria

Se realizará un examen final único que será de carácter teórico y que abarcará los contenidos de toda la asignatura. La puntuación en la convocatoria extraordinaria se realizará en base a los siguientes porcentajes:

  • 80 % la realización de un informe crítico de las prácticas realizadas o de ejercicios relacionados con la asignatura.
  • 20% el examen final.

3.2.1. Relación actividades de evaluación

Actividad de evaluación

%

Examen final (máximo 70% de la calificación final o el porcentaje que figure en la memoria)

20

Evaluación continua

80

4. Cronograma orientativo

Por favor, comprobar el horario oficial publicado en la página web del Máster.