里德堡原子是主量子数(n)很大的高激发态原子, 由一个或者多个里德堡原子形成的里德堡分子具有大的尺寸, 丰富的振转能级, 永久的电偶极矩以及对外场非常敏感等特性, 不仅包含了里德堡原子的奇异特性, 而且在量子信息存储和量子模拟以及在医学中具有广泛的应用价值, 引起了国内外学者的研究兴趣。根据束缚机制的不同, 里德堡原子形成不同种类的里德堡分子, 目前包括里德堡电子与基态原子低能电子散射形成的基态-里德堡分子、里德堡原子间电多极相互作用形成的里德堡-里德堡分子和离子与里德堡原子间电多极相互作用形成的离子-里德堡分子。本文综述了近年来双原子里德堡分子的研究进展, 包含三类里德堡分子的形成机制、实验观测及其光谱特性等。

近年来, 基于机器学习的大规模原子模拟技术的发展为许多化学分支的发展带来了巨大的希望。这些模拟具有高速度和高精度的特点。本文概述了基于机器学习势函数的原子模拟的3个关键方面的最新进展, 即机器学习模型和结构描述子的开发, 全局势能面训练集的生成, 以及基于主动学习的势函数自动训练。研究表明, 最近设计的指数型结构描述子和前馈神经网络模型非常适合生成高度复杂的全局势能面。通过神经网络势函数在材料和反应模拟中的2个最新应用来说明基于机器学习势函数的原子模拟如何有助于发现新材料和反应。

异质材料连接，尤其是金属和玻璃，广泛应用在各种工业产品上。超快激光焊接异质材料是一种快速、清洁和非接触的新技术，近年来得到了广泛研究。采用分子动力学方法对飞秒激光作用铝和石英玻璃界面进行了理论模拟研究，模拟根据石英玻璃的熔点和弹性常数，构建了石英玻璃的Lennard-Jones（LJ）相互作用势函数。根据铝-石英玻璃之间的黏附功，建立了铝-石英玻璃之间的LJ相互作用势函数，从而在保持宏观特性的同时简化和加速模拟过程。采用耦合到分子动力学的双温模型对飞秒激光作用铝和石英玻璃界面进行了小规模分子动力学模拟。飞秒激光辐照后，焊接区局部瞬时温度高达10000 K，应力高达20 GPa，出现铝原子向石英玻璃一侧扩散移动的现象。铝和石英玻璃的混合区由于高温粒子的持续碰撞而不断扩大，同时两种材料的混合区域中心向石英玻璃一侧移动，在微观上揭示了飞秒激光作用铝-石英玻璃界面皮秒时间尺度的分子动力学演化过程，为飞秒激光焊接异质材料提供理论基础。

以Haldane模型为研究体系，扩展了拓扑电路对相互作用调制的研究，设计并构建了调制紧束缚模型在位势能的一般方法。通过改变Haldane模型的在位势能，包括改变整体在位势能、对蜂窝晶格两原子施加不同在位势能，以及调整边界原子在位势能等，特别是构建相应的电路实验设计方案，实现了对界面态的调制，为进一步调控和利用界面态提供了新的思路。

采用高精度从头算方法对 I+2 离子最小的四个 Ω 子 态 (X2Π3/2,g, X2Π1/2,g, A2Π3/2,u 和 A2Π1/2,u) 进行了研究, 并与实验获得的高分辨率吸收光谱进行了比较。首先利用多参考组态相互作用 (MRCI) 方法计算了四个 Ω 电子态的势能曲线, 求解了一维径向薛定谔方程, 并推导出各电子态的振动-转动能级。随后利用拟合获得的相应光谱参数和计算得到的跃迁偶极矩矩阵元, 计算了 A2Π3/2,u-X2Π3/2,g 系统的 υ'=11-19 和 υ''=1-5 的 45 个带的跃迁强度, 并计算了 A2Π3/2,u 态的 υ'=11-19 振动能级的辐射寿命。 最后, 计算给出了 I+2 的 A2Π1/2,u?Ω 子态的较高振动能级的预解离寿命, 并讨论了其预离解机理。

分子光谱参数是红外辐射计算的基础数据,目前国内还没有类似HITRAN数据库的气体光谱数据库,在国家数值风洞工程的支持下,本文开发了高温空气光谱参数计算代码,目的是为目标红外辐射计算提供支持。NO是高超声速飞行器高温空气流场中的主要化学反应产物之一,其振转能级跃迁产生的辐射处于红外探测器的典型波段。本文基于ab initio计算的NO分子分裂后的分子势和永久偶极矩,计算了NO分子的线强度(温度达到了8000 K);在300 K和3000 K温度下,目前的理论计算结果与HITRAN数据库中的数据符合得非常好;本文还采用窄带模型计算了296 K和2000 K温度下NO分子X 2Π1/2态的吸收系数。目前所用方法可以不借助实验光谱常数,使低振动态和高振动态都得到比HITRAN数据库更多的线位置,可为国家数值风洞目标辐射特性计算提供NO分子高温光谱数据。

针对国内外对体声波磁电天线原理的解析计算与设计方法的研究还不成熟,以及现有解析计算方法存在误差的问题, 提出了一套相对精确的体声波磁电天线的解析计算方法。利用该解析计算法分别计算了磁电天线中压电层和磁致伸缩层的势能, 并求出磁电天线的总势能。由于磁电天线的辐射功率是由磁致伸缩层表面的孔径电场决定, 故利用本构方程将孔径电场替换为正弦分布的应力场, 对磁电天线的平均辐射功率进行了求解, 进而得到归一化的天线辐射品质因数。通过对不同层数结构磁电天线的归一化后势能、平均辐射功率和辐射品质因数等性能参数的比较分析, 得到了优选的“压电层-磁致伸缩层-压电层”三层交替堆叠结构, 实现了磁电天线辐射性能的最优化多层设计。

里德堡电子与基态原子的低能电子散射形成长程里德堡分子,这种分子具有大的轨道半径,丰富的振动能级和永久电偶极矩等特点。本文考虑铯里德堡ns态与(n-4)l(n为主量子数,l为角量子数且l>2) 近简并态的非绝热耦合与p-波共振现象,数值计算了长程铯里德堡分子的势能曲线。分析ns6s(n=32-36)态分子最外层势阱,研究了长程里德堡分子的势阱深度、平衡距离与主量子数n的关系,为实验研究长程里德堡分子提供理论依据。

在课题组前期建立的计算双核分子体系解析势能函数的代数能量自洽法（algebraic energy consistent method, AECM）的基础上, 引入了经改进得到的精确研究双核分子完全振动能谱的变分代数法（variational algebraic method, VAM）, 获得了计算双核分子体系精确解析势能函数的变分代数能量自洽法(variational algebraic energy consistent method, VAECM)。 基于有限的精确实验振动能谱数据, 利用VAECM方法研究了Li2分子13Δg, 33Σ+g, 13Σ－g和b3Πu等4个电子态的完全振动能谱和解析势能函数。 获得了各电子态包含高阶的振动光谱常数、 完全振动能谱、 振动力常数fn和势能展开系数an, 并通过可调变分参数λ最终确定了VAECM解析势能函数的具体表达形式。 计算结果与其他方法的研究结果进行了比较, VAECM方法获得的振动能谱数据和势能解析表达形式能更好地描述这些电子态在渐近区和离解区的物理行为, 消除了利用前期AECM方法研究这些电子态在离解区出现的非物理势垒现象。