Quantum dynamics of H2 in a carbon nanotube: Separation of time scales and resonance enhanced tunneling

量子隧道 绝热过程 物理 扩散 非绝热的 共振(粒子物理) 量子动力学 量子 碳纳米管 绝热定理 量子力学 材料科学 纳米技术
作者
Manel Mondelo-Martell,Fermín Huarte‐Larrañaga,Uwe Manthe
出处
期刊:Journal of Chemical Physics [American Institute of Physics]
卷期号:147 (8): 084103-084103 被引量:8
标识
DOI:10.1063/1.4995550
摘要

Quantum confinement effects are known to affect the behavior of molecules adsorbed in nanostructured materials. In order to study these effects on the transport of a single molecule through a nanotube, we present a quantum dynamics study on the diffusion of H2 in a narrow (8,0) carbon nanotube in the low pressure limit. Transmission coefficients for the elementary step of the transport process are calculated using the flux correlation function approach and diffusion rates are obtained using the single hopping model. The different time scales associated with the motion in the confined coordinates and the motion along the nanotube’s axis are utilized to develop an efficient and numerically exact approach, in which a diabatic basis describing the fast motion in the confined coordinate is employed. Furthermore, an adiabatic approximation separating the dynamics of confined and unbound coordinates is studied. The results obtained within the adiabatic approximation agree almost perfectly with the numerically exact ones. The approaches allow us to accurately study the system’s dynamics on the picosecond time scale and resolve resonance structures present in the transmission coefficients. Resonance enhanced tunneling is found to be the dominant transport mechanism at low energies. Comparison with results obtained using transition state theory shows that tunneling significantly increases the diffusion rate at T < 120 K.
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