Scattering of atoms and diatomic molecules from non-metal surfaces

Resumen

Para poder alcanzar conclusiones fiables en ciencia de superficies, necesitamos tanto información extraída de estudios teóricos como de estudios experimentales. Desde el punto de vista de un científico teórico, es difícil obtener resultados precisos sin ningún tipo de información de origen experimental previa a la simulación del sistema de interés, sobretodo, si poco se sabe sobre la estructura de la propia superficie que interviene en la interacción. Los cálculos necesarios para simular sistemas gas-superficie requieren típicamente mucho tiempo de computación. Debido a esto, se han de tomar un buen número de aproximaciones ideales. Por lo tanto, la comparación con datos experimentales ayudará a mejorar las herramientas teóricas disponibles para llegar a un buen equilibrio entre la precisión de los cálculos frente al tiempo de computación que consumirán. Desde el punto de vista de un científico experimental, es difícil entender los eventos que ocurren a escala atómica en un determinado experimento sin ninguna guía teórica. De hecho, a veces los modelos experimentales son demasiado simples, pudiendo aquí tratamientos teóricos más complejos incluso mejorar futuras medidas experimentales. Como resultado, la ciencia de superficies en un entorno perfecto para la colaboración teoría-experimento. Una de los más recientes tópicos abiertos en la ciencia de superficies en donde la colaboración teoría-experimento es prometedora, es el estudio de la difracción de proyectiles rápidos en condiciones de incidencia rasante. El surgimiento de esta nueva técnica de análisis de superficies, ha revitalizado el estudio de la interacción de proyectiles no cargados con superficies no metálicas. En particular, el entendimiento de experimentos GIFAD* ha animado a científicos teóricos a desarrollar modelos cuánticos detallados para estudiar esta clase de eventos. Sin embargo, estas simulaciones teóricas presentan un gran desafío debido a las enormes energías que poseen los proyectiles atómicos y moleculares involucrados, bajo estas condiciones. Para reducir el coste computacional de estos cálculos, se ha venido utilizando con asiduidad la aproximación de la canalización axial superficial (ASC†) [1–3] y métodos de dinámica semi-cuánticos [4–6]. Dentro de la aproximación ASC, la dimensionalidad del sistema es reducida a dos dimensiones (2D). Esto se consigue considerando que el proyectil siente un potencial promediado a lo largo de la dirección de incidencia. En la literatura [7, 8], se ha constatado ya que esta aproximación sólo se sostiene cuando los proyectiles sienten un potencial *Del inglés, Grazing Incidence Fast Atom Diffraction. †Del inglés, Axial Surface Channeling. iii cuasi-periódico y siguen trayectorias casi paralelas al plano de superficie [1]. Por lo tanto, la aproximación ASC puede fallar, por ejemplo, para superficies con parámetro de red grandes, como ya ha sido demostrado en el caso de la difracción de átomos de hidrógeno sobre una superficie Al2O3 (11¯20) reconstruida (12  4) [9]. Pese al incremento en el número de estudios, tanto teóricos como experimentales, del fenómeno GIFAD, se ha prestado poca atención al caso en el cual se usa una molécula como proyectil. De hecho, debido a los grados de libertad internos que posee una molécula, se espera que los espectros de difracción para éstas sean más ricos que los obtenidos para átomos [10]. Si acudimos a lo que se sabe del modelado de experimentos de haces moleculares a energías térmicas, debemos esperar que sea necesario desarrollar superficies de energía potencial (SEPs) que incluyan al menos los grados de libertad del proyectil para simular procesos de difracción rotacional y vibracionalmente inelásticos [11–14]. Afortunadamente, a lo largo de las últimas décadas se han desarrollado métodos de construcción de SEPs con resultados bastante exitosos. Algunos ejemplos son el método CRP [15], MS [16, 17], NN [18], PIP-NN [19] y RFF [20] * Todos los antecedentes expuestos hasta aquí nos han animado a desarrollar en esta tesis una combinación de métodos teóricos, comúnmente aplicados en la descripción de experimentos de haces moleculares a energías térmicas, para modelizar procesos GIFAD, especialmente GIFMD†. Los objetivos de esta tesis son: • Explorar la posibilidad de realizar dinámicas completamente cuánticas mientras describimos todos los grados de libertad del proyectil incidente. Concretamente, aprovecharemos la eficiencia del método MCTDH‡ [21, 22] para llevar a cabo dinámicas 3D y 6D. • Desarrollar SEPs precisas de 3 y 6 dimensiones con el método CRP para realizar cálculos cuánticos que puedan describir tanto procesos en condiciones de incidencia normal con energías térmicas, como procesos bajo condiciones de ángulo rasante. Hemos escogido los sistemas H2(D2)/Li(001) y H(D)/LiF(001) para probar nuestra metodología. En particular, vamos a desarrollar la primera SEP de 6 dimensiones con el método CRP para describir la interacción de una molécula di-atómica con una superficie aislante. • Probar la aplicabilidad de estudios de dinámica cuasi-clásica, combinados con el método classic binning [23, 24], para analizar *Estos acrónimos proceden del inglés: Corrugation Reducing Procedure (CRP), Modified Shepard (MS), Neural Networks (NN), Permutation Invariant Polynomia Neural Networks (PIP-NN) y Reactive Force Fields (RFF). †Difracción de moléculas rápidas bajo condiciones de ángulo rasante. ‡Del inglés, Multiconfigurational Time-Dependent Hartree. iv cualitativamente la modulación de intensidad de los picos de difracción obtenidos en condiciones GIFAD/GIFMD, para una variedad amplia de condiciones experimentales. • Combinar un método de dinámica cuántica (MCTDH) con un método de construcción de SEPs (MS) que sean fácilmente generalizables para tratar proyectiles poliatómicos en sistemas gassuperficie. Hemos escogido como test, el sistema H2(D2)/Methyl- Si(111), en el cual recientemente se han llevado a cabo medidas de probabilidad de difracción rotacionalmente inelástica.