計(jì)算名人堂—理論與計(jì)算大牛帥志剛
2023年，注定是不平凡的一年！從本期開(kāi)始，我們將對(duì)理論與計(jì)算領(lǐng)域的大牛，對(duì)之前的成果工作進(jìn)行簡(jiǎn)單匯總，希望能夠?yàn)榭蒲泄ぷ髡邆兲峁┮恍┧悸芳跋敕ā?/p>
本期為2023版新版名人堂介紹，本期為第3期。
名人介紹
帥志剛教授于1983年、1986年和1989年分別在中山大學(xué)、暨南大學(xué)和復(fù)旦大學(xué)取得學(xué)士學(xué)位、碩士學(xué)位和博士學(xué)位，于1990-2001年在比利時(shí)University of Mons從事博士后和研究科學(xué)家工作。
2002-2008年在中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所有機(jī)固體實(shí)驗(yàn)室擔(dān)任博士生導(dǎo)師。2008年加入清華大學(xué)化學(xué)系，2008年、2009年、2011年、2013年先后當(dāng)選國(guó)際量子分子科學(xué)院院士、英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)會(huì)士、歐洲科學(xué)院外籍院士、比利時(shí)皇家科學(xué)院外籍院士。2022年加入香港中文大學(xué)（深圳），任校長(zhǎng)學(xué)勤講座教授。
帥教授主要從事理論計(jì)算化學(xué)、理論凝聚態(tài)物理和計(jì)算材料研究，提出了有機(jī)和碳材料電荷傳輸?shù)牧孔雍怂泶┠Ｐ?/strong>，解決了有機(jī)與高分子材料中的導(dǎo)電機(jī)理的爭(zhēng)端；開(kāi)拓了量子化學(xué)密度矩陣重正化群計(jì)算方法，并發(fā)展了其含時(shí)演化算法處理復(fù)雜體系量子動(dòng)力學(xué)；發(fā)展了有機(jī)分子聚集體和高分子電子激發(fā)態(tài)的多模耦合速率理論；根據(jù)原創(chuàng)的計(jì)算方法所開(kāi)發(fā)了計(jì)算化學(xué)軟件MOMAP已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用。
帥教授2020年、2021年均獲愛(ài)思唯爾中國(guó)高被引學(xué)者，現(xiàn)任《化學(xué)學(xué)報(bào)》、“Research”期刊副主編，以及10多家國(guó)內(nèi)國(guó)際科學(xué)期刊雜志編委或顧問(wèn)編委會(huì)成員等。
2004年獲國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)杰出青年科學(xué)基金資助，2006年入選國(guó)家人事部等7部委“新世紀(jì)百千萬(wàn)人才國(guó)家級(jí)人選”，2012年 獲中國(guó)化學(xué)會(huì)-阿克蘇諾貝爾化學(xué)科學(xué)獎(jiǎng)，2013年獲享受國(guó)務(wù)院特殊津貼資格，2014年獲全國(guó)優(yōu)秀科技工作者（中國(guó)科協(xié)），2018年獲法國(guó)化學(xué)會(huì)Prix Franco-Chinois（中-法講座獎(jiǎng)），2019年清華大學(xué)畢業(yè)生個(gè)人就業(yè)工作先進(jìn)個(gè)人，2020年獲北京市科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)自然科學(xué)一等獎(jiǎng)，2021年獲清華大學(xué)先進(jìn)工作者。
鑒于推文字?jǐn)?shù)所限，同時(shí)帥教授2022年的發(fā)表文章眾多，不可能一一列舉，因此，我們只對(duì)其中的五篇進(jìn)行了闡述。其他文章，感興趣的同學(xué)可自行查閱帥志剛老師的主頁(yè) http://www.shuaigroup.net/
研究成果
1.?WIREs Computational Molecular Science：復(fù)雜系統(tǒng)量子動(dòng)力學(xué)的含時(shí)密度矩陣重整群方法
光譜學(xué)和量子動(dòng)力學(xué)的模擬，對(duì)于理解復(fù)雜系統(tǒng)中的電子過(guò)程至關(guān)重要，包括與光學(xué)發(fā)射有關(guān)的輻射/無(wú)輻射電子弛豫，與有機(jī)材料載流子遷移有關(guān)的分子聚集體中的電荷/能量轉(zhuǎn)移，以及光伏和熱電轉(zhuǎn)換、光收集和自旋輸運(yùn)等。含時(shí)密度矩陣重整化群(TD-DMRG)是近年來(lái)興起的一種通用的、數(shù)值精確的、高效的高角元求解方法。
在此，為了解決這一挑戰(zhàn)，帥志剛教授團(tuán)隊(duì)在本文將介紹在矩陣積態(tài)(MPS)和矩陣積算子(MPO)的現(xiàn)代框架中TD-DMRG的基本算法，包括關(guān)于MPS和MPO的基本代數(shù)，傳播MPS的新型時(shí)間演化方案，以及編碼通用哈米頓量的自動(dòng)MPO構(gòu)造算法。最重要的是，該方法可以處理有限溫度下的混合態(tài)密度矩陣，從而實(shí)現(xiàn)分子聚集的量子統(tǒng)計(jì)描述。研究者通過(guò)使用當(dāng)前最先進(jìn)的方法來(lái)模擬自旋玻色子模型和Frenkel-Holstein (-Peierls)模型的量子動(dòng)力學(xué)來(lái)演示TD-DMRG的性能。作為TD-DMRG在實(shí)際問(wèn)題中的應(yīng)用，研究者從理論上研究了rubrene晶體的載流子遷移率和譜函數(shù)，以及具有非諧波勢(shì)能表面的azulene的無(wú)輻射衰減率。
參考文獻(xiàn)：
Ren, J,?Li, W,?Jiang, T,?Wang, Y,?Shuai, Z.?Time-dependent density matrix renormalization group method for quantum dynamics in complex systems.?WIREs Comput Mol Sci.?2022;?12:e1614.?https://doi.org/10.1002/wcms.1614
原文鏈接：
https://wires.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/wcms.1614
2.ACS Materials Letters：具有電泵浦激光特性的熱激活延遲熒光分子的計(jì)算選擇
熱激活延遲熒光(TADF)材料，是電泵浦有機(jī)激光的競(jìng)爭(zhēng)候選材料，因?yàn)樗軌蛲ㄟ^(guò)反向系統(tǒng)間交叉(RISC)抑制三重態(tài)累積，特別是多共振TADF (MR-TADF)化合物具有窄帶發(fā)射和高光致發(fā)光量子產(chǎn)率。在此，帥志剛教授團(tuán)隊(duì)從理論上篩選出有前途的電泵浦有機(jī)激光化合物，優(yōu)于MR-TADF和傳統(tǒng)的TADF分子。研究者計(jì)算了21個(gè)有機(jī)TADF分子的光物理參數(shù)，以確定是否可以滿足電泵浦激光標(biāo)準(zhǔn)，即在S1發(fā)射波長(zhǎng)附近沒(méi)有由激子和極化子引起的大量吸收/湮滅過(guò)程。選擇標(biāo)準(zhǔn)包括S1振蕩器強(qiáng)度大、凈發(fā)射截面大、S1壽命長(zhǎng)、系統(tǒng)間反向交叉率大。根據(jù)研究者的理論方案，可以得出結(jié)論，DABNA-2, m-Cz-BNCz, ADBNA-Me-Mes和ADBNA-Me-Tips MR-TADF分子是電泵浦激光的潛在候選分子，研究者相信這項(xiàng)工作將通過(guò)更好、更有效的TADF增益材料分子設(shè)計(jì)立即使該領(lǐng)域受益。
參考文獻(xiàn)：
Lin, Shiyun, Qi Ou, and Zhigang Shuai. "Computational Selection of Thermally Activated Delayed Fluorescence (TADF) Molecules with Promising Electrically Pumped Lasing Property."?ACS Materials Letters?4.3 (2022): 487-496.
原文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsmaterialslett.1c00794#
3.JCTC：用荷斯坦模型計(jì)算有機(jī)材料熱電功率因數(shù)的計(jì)算方法：含時(shí)密度矩陣重整群形式
有機(jī)/高分子材料，在熱電轉(zhuǎn)換中越來(lái)越重要。這些材料的軟特性，意味著強(qiáng)電子-聲子耦合，經(jīng)常導(dǎo)致載流子局部化。這對(duì)傳統(tǒng)的基于弛豫時(shí)間近似和帶結(jié)構(gòu)計(jì)算的玻爾茲曼輸運(yùn)描述提出了巨大的挑戰(zhàn)。在此，帥志剛教授團(tuán)隊(duì)結(jié)合Kubo公式和大正則系綜中的有限溫度時(shí)變密度矩陣重正化群(FT-TD-DMRG)，開(kāi)發(fā)了一種近乎精確的算法來(lái)計(jì)算熱電功率因數(shù)PF?= α2σ，其中α為Seebeck系數(shù)，σ為電導(dǎo)率，并將該算法應(yīng)用于具有電子-聲子耦合的Holstein hamilton量來(lái)模擬有機(jī)材料。該算法可以提供一個(gè)統(tǒng)一的描述，涵蓋由類帶玻爾茲曼傳輸描述的弱耦合極限到強(qiáng)耦合跳躍極限。
參考文獻(xiàn)：Ge, Yufei, et al. "Computational Method for Evaluating the Thermoelectric Power Factor for Organic Materials Modeled by the Holstein Model: A Time-Dependent Density Matrix Renormalization Group Formalism."?Journal of Chemical Theory and Computation?18.11 (2022): 6437-6446.
原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jctc.2c00651#
4.Materials Horizons：用于評(píng)估磷光量子效率的計(jì)算方案:應(yīng)用于藍(lán)色發(fā)射四齒Pt(ii)配合物
磷光有機(jī)發(fā)光二極管(PhOLEDs)是顯示或照明技術(shù)的主要候選者。近年來(lái)，藍(lán)色磷光四齒Pt(II)配合物，因其具有較高的磷光量子效率和靈活的配體結(jié)構(gòu)和修飾，而引起了廣泛的關(guān)注。在此，帥志剛教授團(tuán)隊(duì)利用量子化學(xué)和熱振動(dòng)相關(guān)函數(shù)(TVCF)形式，研究了最近實(shí)驗(yàn)報(bào)道的16個(gè)含有熔融5/6/6金屬環(huán)的藍(lán)四晶Pt(II)發(fā)射體的三態(tài)激發(fā)態(tài)能量面和通過(guò)過(guò)渡態(tài)(3TS)到基態(tài)(S0)的直接振動(dòng)弛馳和最小能量交叉點(diǎn)(MECP)的衰變過(guò)程。研究者發(fā)現(xiàn)(i)在大多數(shù)情況下，由于3TS過(guò)高或MECP不可達(dá)，直接振動(dòng)弛豫失活主導(dǎo)了三態(tài)非輻射衰變。因此，TVCF形式主義的結(jié)果與磷光量子效率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合得很好；(ii)只有當(dāng)3TS和MECP都較低時(shí)，例如PtON1-oMe，通過(guò)MECP失活主導(dǎo)了三態(tài)非輻射衰變。
參考文獻(xiàn)：
Wang, Yu, Qian Peng, and Zhigang Shuai. "A computational scheme for evaluating the phosphorescence quantum efficiency: applied to blue-emitting tetradentate Pt (ii) complexes."?Materials Horizons?9.1 (2022): 334-341.
原文鏈接：
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/MH/D1MH00552A
5.JPCL：三態(tài)激子到低極化激子反向交叉的失諧效應(yīng)
低極化子(LP)，可以降低逆系統(tǒng)間交叉(rISC)過(guò)程的能量勢(shì)壘，從T1獲取三態(tài)能量用于熒光。在此，帥志剛教授團(tuán)隊(duì)基于Tavis-Cummings模型，包括單態(tài)和三態(tài)激子，都與量子化光子耦合，推導(dǎo)了一個(gè)全面的rISC速率形式。研究者發(fā)現(xiàn)后者由三個(gè)貢獻(xiàn)組成：馬丁內(nèi)斯-馬丁內(nèi)斯等人首次得到的自旋-軌道耦合，Ou等人的光-物質(zhì)耦合，以及本文首次報(bào)道的交叉項(xiàng)。研究者應(yīng)用這種形式研究了在含DABNA-2分子薄膜的空腔器件中實(shí)驗(yàn)觀察到的無(wú)障礙rISC (BFrISC)過(guò)程。研究者發(fā)現(xiàn)這可以歸因于失諧效應(yīng)。通過(guò)改變失諧能，可以將rISC速率提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，從而實(shí)現(xiàn)BFrISC過(guò)程。此外，BFrISC速率隨入射角和摻雜濃度的增大而增大。這種形式主義為高效腔促發(fā)光材料的分子設(shè)計(jì)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
參考文獻(xiàn)：
Zhang, Bin, and Zhigang Shuai. "Detuning Effects on the Reverse Intersystem Crossing from Triplet Exciton to Lower Polariton."?The Journal of Physical Chemistry Letters?13.40 (2022): 9279-9286.
原文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpclett.2c02557#
