Квантовая кристаллография - Quantum crystallography

Квантовая кристаллография это филиал кристаллография исследует кристаллические материалы в рамках квантовая механика, с анализом и представлением, в позиция или в импульсное пространство, таких величин, как волновая функция, заряд и спиновая плотность электронов, матрицы плотности и все связанные с ними свойства (например, электрический потенциал, электрические или магнитные моменты, плотности энергии, функция локализации электронов, потенциал одного электрона и т. д.). Квантовая кристаллография включает в себя как экспериментальную, так и вычислительную работу. Теоретическая часть квантовой кристаллографии основана на квантово-механических расчетах атомных / молекулярных / кристаллических волновых функций, матриц плотности или моделей плотности, используемых для моделирования электронной структуры кристаллического материала. Экспериментальные работы в основном опираются на методы рассеяния (Рентгеновские лучи, нейтроны, γ-лучи, электроны ), хотя спектроскопия, а также атомная микроскопия также являются источниками информации.

Связь между кристаллографией и квантовой химией всегда была очень тесной, после того как в кристаллографии стали доступны методы дифракции рентгеновских лучей. Фактически, рассеяние излучения позволяет отобразить одноэлектронное распределение[1][2][3] или элементы матрицы плотности.[4] Вид излучения и рассеяния определяет представляемую величину (заряд или спин электрона) и пространство, в котором она представлена ​​(положение или импульсное пространство). Хотя обычно предполагается, что волновая функция не может быть измерена напрямую, недавние достижения позволяют также вычислять волновые функции, которые ограничены некоторыми экспериментально измеряемыми наблюдаемыми (например, рассеянием излучения).[5][6]

Термин «квантовая кристаллография» впервые был введен в повторных статьях Л. Хуанга, Л. Массы и лауреата Нобелевской премии. Джером Карл,[7][8] которые связали его с двумя основными направлениями: а) кристаллографическая информация, которая улучшает квантово-механические вычисления, и б) квантово-механические подходы для улучшения кристаллографической информации. Это определение в основном относится к исследованиям, начатым в 1960-х и 1970-х годах, когда появились первые попытки получить волновые функции из экспериментов по рассеянию.[9][10][11] Это поле недавно было рассмотрено в контексте данного определения.[12][13][14][15][16]

Параллельно с исследованиями по определению волновых функций Р. Ф. Стюарт[17] и П. Коппенс[18][19] исследовали возможности расчета моделей одноэлектронной плотности заряда из Рассеяние рентгеновских лучей (например, с помощью мультиполярное расширение псевдоатомов ), а затем спиновой плотности от поляризованных нейтронная дифракция,[20] которые положили начало научному сообществу плотности заряда, спина и импульса.[21]В недавней обзорной статье В. Цирельсон[22] дал более общее определение: «Квантовая кристаллография - это область исследований, использующая тот факт, что параметры квантово-механически достоверной электронной модели кристалла могут быть получены из точно измеренного набора факторов структуры когерентной дифракции рентгеновских лучей».

Книга Современный анализ плотности заряда предлагает обзор исследований, связанных с квантовой кристаллографией, и наиболее распространенных экспериментальных или теоретических методологий.[23]

В Международный союз кристаллографии недавно учредил комиссия по квантовой кристаллографии, как продолжение предыдущей комиссии по плотности заряда, вращения и импульса, с целью координации исследовательской деятельности в этой области.[24]

внешняя ссылка

Школа кристаллографии Эриче (52 курс): первый курс по квантовой кристаллографии (Июнь 2018 г.)
В XIX Сагаморская конференция (Июль 2018 г.)
В Заседание CECAM по квантовой кристаллографии (Июнь 2017 г.)
МСОП комиссия по квантовой кристаллографии
В Международный союз кристаллографии

Рекомендации

  1. ^ Коппенс, Филип (1997). Плотность рентгеновского заряда и химическая связь. Международный союз кристаллографии. ISBN  9780195356946.
  2. ^ Макки, Пьеро; Жилле, Жан-Мишель; Таулель, Фрэнсис; Кампо, Хавьер; Клэйзер, Николас; Леконт, Клод (1 июля 2015 г.). «Моделирование экспериментальной электронной плотности: только синергия различных подходов может решить новые задачи». IUCrJ. 2 (4): 441–451. Дои:10.1107 / S2052252515007538. ЧВК  4491316. PMID  26175903.
  3. ^ Цирельсон, В.Г .; Озеров, Р.П. (1996). Электронная плотность и связь в кристаллах: принципы, теория и эксперименты по дифракции рентгеновских лучей в физике твердого тела и химии. CRC Press. ISBN  978-0750302845.
  4. ^ Жилле, Жан-Мишель (1 мая 2007 г.). «Определение одноэлектронной матрицы приведенной плотности с использованием модели связанного псевдоатома и набора дополнительных данных рассеяния». Acta Crystallographica Раздел A. 63 (3): 234–238. Bibcode:2007AcCrA..63..234G. Дои:10.1107 / S0108767307001663. PMID  17435287.
  5. ^ Джаятилака, Дилан; Гримвуд, Дэниел Дж. (1 января 2001 г.). «Волновые функции, полученные из эксперимента. I. Мотивация и теория». Acta Crystallographica Раздел A. 57 (1): 76–86. Дои:10.1107 / S0108767300013155. PMID  11124506.
  6. ^ Вейрих, Вольф (1996). "Одноэлектронные матрицы плотности и связанные с ними наблюдаемые". Квантово-механический расчет свойств кристаллических материалов из первых принципов. Конспект лекций по химии. 67. Springer Berlin Heidelberg. С. 245–272. Дои:10.1007/978-3-642-61478-1_14. ISBN  9783540616450.
  7. ^ Massa, L .; Huang, L .; Карле, Дж. (25 февраля 1995 г.). «Квантовая кристаллография и использование ядер проекторных матриц». Международный журнал квантовой химии. 56 (S29): 371–384. Дои:10.1002 / qua.560560841.
  8. ^ Huang, L .; Massa, L .; Карле, Дж. (1999). «Квантовая кристаллография в применении к кристаллическому ангидриду малеиновой кислоты». Международный журнал квантовой химии. 73 (5): 439–450. Дои:10.1002 / (SICI) 1097-461X (1999) 73: 5 <439 :: AID-QUA7> 3.0.CO; 2-5.
  9. ^ Mukherji, A .; Карплюс, М. (январь 1963 г.). "Ограниченные молекулярные волновые функции: молекула HF". Журнал химической физики. 38 (1): 44–48. Bibcode:1963ЖЧФ..38 ... 44М. Дои:10.1063/1.1733493.
  10. ^ Расиэль, Еческель; Уитмен, Дональд Р. (15 марта 1965 г.). "Метод ограниченных вариаций в молекулярной квантовой механике. Приложение к гидриду лития". Журнал химической физики. 42 (6): 2124–2131. Bibcode:1965ЖЧФ..42.2124Р. Дои:10.1063/1.1696255.
  11. ^ Клинтон, Уильям Л .; Галли, Энтони Дж .; Масса, Луис Дж. (5 января 1969 г.). "Прямое определение матриц плотности чистого состояния. II. Построение ограниченных идемпотентных плотностей одного тела". Физический обзор. 177 (1): 7–13. Bibcode:1969ПхРв..177 .... 7С. Дои:10.1103 / PhysRev.177.7.
  12. ^ Грабовский, Саймон; Дженони, Алессандро; Bürgi, Ханс-Бит (2017). «Квантовая кристаллография». Химическая наука. 8 (6): 4159–4176. Дои:10.1039 / C6SC05504D. ЧВК  5576428. PMID  28878872.
  13. ^ Масса, Лу; Матта, Шериф Ф. (14 ноября 2017 г.). «Квантовая кристаллография: перспектива». Журнал вычислительной химии. 39 (17): 1021–1028. Дои:10.1002 / jcc.25102. PMID  29135029.
  14. ^ Матта, Шериф Ф. (2010). Квантовая биохимия. Джон Вили и сыновья. ISBN  9783527629220.
  15. ^ Матта, Шериф Ф. (15 мая 2017 г.). "Приглашенная редакция: Путь через квантовую кристаллографию: короткая дань уважения профессору Лу Масса". Структурная химия. 28 (5): 1279–1283. Дои:10.1007 / s11224-017-0961-8.
  16. ^ Масса, Лу (2011). Наука и письменное слово: наука, технологии и общество. Издательство Оксфордского университета. ISBN  9780199831777.
  17. ^ Стюарт, Роберт Ф. (15 ноября 1969 г.). «Обобщенные факторы рассеяния рентгеновских лучей». Журнал химической физики. 51 (10): 4569–4577. Bibcode:1969ЖЧФ..51.4569С. Дои:10.1063/1.1671828.
  18. ^ Коппенс, Филип; Pautler, D .; Гриффин, Дж. Ф. (март 1971 г.). «Анализ населенности электронов точных данных дифракции. II. Применение одноцентровых формализмов к некоторым органическим и неорганическим молекулам». Журнал Американского химического общества. 93 (5): 1051–1058. Дои:10.1021 / ja00734a001.
  19. ^ Hansen, N.K .; Коппенс, П. (1 ноября 1978 г.). «Тестирование уточнения асферических атомов на наборах данных малых молекул». Acta Crystallographica Раздел A. 34 (6): 909–921. Bibcode:1978AcCrA..34..909H. Дои:10.1107 / S0567739478001886.
  20. ^ Дойч, Максим; Гиллон, Беатрис; Клэйзер, Николас; Жилле, Жан-Мишель; Леконт, Клод; Сухасу, Мохамед (14 апреля 2014 г.). «Первые спиновые распределения электронов в кристаллах из объединенных экспериментов по поляризованным нейтронам и дифракции рентгеновских лучей». IUCrJ. 1 (3): 194–199. Дои:10.1107 / S2052252514007283. ЧВК  4086435. PMID  25075338.
  21. ^ Франкенбергер, К. (1 октября 1990 г.). «Отчет исполкома за 1989 год». Acta Crystallographica Раздел A. 46 (10): 871–896. Дои:10.1107 / s0108767390006109. ISSN  0108-7673. ЧВК  234214. PMID  16016227.
  22. ^ Цирельсон, Владимир (9 августа 2017 г.). «Ранние дни квантовой кристаллографии: личный отчет». Журнал вычислительной химии. 39 (17): 1029–1037. Дои:10.1002 / jcc.24893. PMID  28791717.
  23. ^ Гатти, Карло; Макки, Пьеро (2012). Современный анализ плотности заряда. Springer Science & Business Media. ISBN  9789048138364.
  24. ^ «МСКр». www.iucr.org.