Recurrent fluorescence (RF) from isolated carbon clusters containing between 24 and 60 atoms is theoretically investigated as a function of internal energy, cluster size, and structural features. The vibrational relaxation kinetics and the associated IR emission spectra are determined by means of a Monte Carlo approach with vibrational density of states computed in the harmonic approximation. RF is generally found to be highly competitive with vibrational emission. The behaviors predicted for clusters of various sizes and archetypal structures indicate that the IR emission spectra are strongly influenced by RF, an energy gap law being obtained for the evolution of the RF rate constant depending on the electronic excitation state. The present results are relevant to the photophysics of the interstellar medium and could contribute to elucidating the carriers of the extended red emission bands and the continuum emission lying below the aromatic infrared bands believed to originate from mixed aromatic–aliphatic compounds.
REFERENCES
1.
H.
Handschuh
, G.
Ganteför
, B.
Kessler
, P. S.
Bechthold
, and W.
Eberhardt
, Phys. Rev. Lett.
74
, 1095
(1995
).2.
A.
Van Orden
and R. J.
Saykally
, Chem. Rev.
98
, 2313
(1998
).3.
S. K.
Lai
, I.
Setiyawati
, T. W.
Yen
, and Y. H.
Tang
, Theor. Chem. Acc.
136
, 20
(2016
).4.
M. A.
Bonnin
, C.
Falvo
, F.
Calvo
, T.
Pino
, and P.
Parneix
, Phys. Rev. A
99
, 042504
(2019
).5.
G.
Von Helden
, M. T.
Hsu
, P. R.
Kemper
, and M. T.
Bowers
, J. Chem. Phys.
95
, 3835
(1991
).6.
G.
von Helden
, M. T.
Hsu
, N.
Gotts
, and M. T.
Bowers
, J. Chem. Phys.
97
, 8182
(1993
).7.
N. G.
Gotts
, G.
von Helden
, and M. T.
Bowers
, Int. J. Mass Spectrom. Ion Processes
149–150
, 217
(1995
).8.
A. A.
Shvartsburg
, G. C.
Schatz
, and M. F.
Jarrold
, J. Chem. Phys.
108
, 2416
(1998
).9.
J. M.
Hunter
and M. F.
Jarrold
, J. Am. Chem. Soc.
117
, 10317
(1995
).10.
M. T.
Bowers
, Int. J. Mass Spectrom.
370
, 75
(2014
).11.
C.
Dubosq
, C.
Falvo
, F.
Calvo
, M.
Rapacioli
, P.
Parneix
, T.
Pino
, and A.
Simon
, Astron. Astrophys.
625
, L11
(2019
).12.
C.
Dubosq
, F.
Calvo
, M.
Rapacioli
, E.
Dartois
, T.
Pino
, C.
Falvo
, and A.
Simon
, Astron. Astrophys.
634
, A62
(2020
).13.
D. W.
Brenner
, O. A.
Shenderova
, J. A.
Harrison
, S. J.
Stuart
, B.
Ni
, and S. B.
Sinnott
, J. Phys.: Condens. Matter
14
, 783
(2002
).14.
S. G.
Kim
and D.
Tománek
, Phys. Rev. Lett.
72
, 2418
(1994
).15.
M.
Elstner
, D.
Porezag
, G.
Jungnickel
, J.
Elsner
, M.
Haugk
, T.
Frauenheim
, S.
Suhai
, and G.
Seifert
, Phys. Rev. B
58
, 7260
(1998
).16.
T. A.
Niehaus
, S.
Suhai
, F.
Della Sala
, P.
Lugli
, M.
Elstner
, G.
Seifert
, and T.
Frauenheim
, Phys. Rev. B
63
, 085108
(2001
).17.
J. F.
Anacleto
, H.
Perreault
, R. K.
Boyd
, S.
Pleasance
, M. A.
Quilliam
, P. G.
Sim
, J. B.
Howard
, Y.
Makarvovsky
, and A. L.
Lafleur
, Rapid Commun. Mass Spectrom.
6
, 214
(1992
).18.
V. M.
Rotello
, J. B.
Howard
, T.
Yadav
, M. M.
Conn
, E.
Viani
, L. M.
Giovane
, and A. L.
Lafleur
, Tetrahedron Lett.
34
, 1561
(1993
).19.
Q. L.
Zhang
, S. C.
O’Brien
, J. R.
Heath
, Y.
Liu
, R. F.
Curl
, H. W.
Kroto
, and R. E.
Smalley
, J. Phys. Chem.
90
, 525
(1986
).20.
E.
Dartois
, J. Carbon Res.
5
, 80
(2019
).21.
K.
Sellgren
, M. W.
Werner
, J. G.
Ingalls
, J. D. T.
Smith
, T. M.
Carleton
, and C.
Joblin
, Astrophys. J. Lett.
722
, L54
(2010
).22.
J.
Cami
, J.
Bernard-Salas
, E.
Peeters
, and S. E.
Malek
, Science
329
, 1180
(2010
).23.
M.
Otsuka
, F.
Kemper
, S.
Hyung
, B. A.
Sargent
, M.
Meixner
, A.
Tajitsu
, and K.
Yanagisawa
, Astrophys. J.
764
, 77
(2013
).24.
Y.
Zhang
and S.
Kwok
, Astrophys. J.
730
, 126
(2011
).25.
K. R. G.
Roberts
, K. T.
Smith
, and P. J.
Sarre
, Mon. Not. R. Astron. Soc.
421
, 3277
(2012
).26.
O.
Berné
, N. L. J.
Cox
, G.
Mulas
, and C.
Joblin
, Astron. Astrophys.
605
, L1
(2017
).27.
M. A.
Cordiner
, H.
Linnartz
, N. L. J.
Cox
, J.
Cami
, F.
Najarro
, C. R.
Proffitt
, R.
Lallement
, P.
Ehrenfreund
, B. H.
Foing
, T. R.
Gull
et al, Astrophys. J. Lett.
875
, L28
(2019
).28.
O.
Berné
, G.
Mulas
, and C.
Joblin
, Astron. Astrophys.
550
, L4
(2013
).29.
E. K.
Campbell
, M.
Holz
, D.
Gerlich
, and J. P.
Maier
, Nature
523
, 322
(2015
).30.
J. P.
Maier
and E. K.
Campbell
, Angew. Chem., Int. Ed.
129
, 5000
(2017
).31.
A. O.
Lykhin
, S.
Ahmadvand
, and S. A.
Varganov
, J. Phys. Chem. Lett.
10
, 115
(2018
).32.
S. R.
Federman
, C. J.
Strom
, D. L.
Lambert
, J. A.
Cardelli
, V. V.
Smith
, and C. L.
Joseph
, Astrophys. J.
424
, 772
(1994
).33.
J. P.
Maier
, N. M.
Lakin
, G. A.
Walker
, and D. A.
Bohlender
, Astrophys. J.
553
, 267
(2001
).34.
P. F.
Bernath
, K. H.
Hinkle
, and J. J.
Keady
, Science
244
, 562
(1989
).35.
O.
Berné
and A. G. G. M.
Tielens
, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
109
, 401
(2012
).36.
J.
Zhen
, P.
Castellanos
, D. M.
Paardekooper
, H.
Linnartz
, and A. G. G. M.
Tielens
, Astrophys. J. Lett.
797
, L30
(2014
).37.
P. W.
Dunk
, N. K.
Kaiser
, C. L.
Hendrickson
, J. P.
Quinn
, C. P.
Ewels
, Y.
Nakanishi
, Y.
Sasaki
, H.
Shinohara
, A. G.
Marshall
, and H. W.
Kroto
, Nat. Commun.
3
, 855
(2012
).38.
39.
L. J.
Allamandola
, A. G. G. M.
Tielens
, and J. R.
Barker
, Astrophys. J.
290
, L25
(1985
).40.
E.
Kolodney
, A.
Budrevich
, and B.
Tsipinyuk
, Phys. Rev. Lett.
74
, 510
(1995
).41.
J. U.
Andersen
, C.
Brink
, P.
Hvelplund
, M. O.
Larsson
, B. B.
Nielsen
, and H.
Shen
, Phys. Rev. Lett.
77
, 3991
(1996
).42.
K.
Hansen
and E. E. B.
Campbell
, J. Chem. Phys.
104
, 5012
(1996
).43.
J. U.
Andersen
, C.
Gottrup
, K.
Hansen
, P.
Hvelplund
, and M. O.
Larsson
, Eur. Phys. J. D
17
, 189
(2001
).44.
K.
Hansen
, J. U.
Andersen
, P.
Hvelplund
, S. P.
Møller
, U. V.
Pedersen
, and V. V.
Petrunin
, Phys. Rev. Lett.
87
, 123401
(2001
).45.
A. E. K.
Sundén
, M.
Goto
, J.
Matsumoto
, H.
Shiromaru
, H.
Tanuma
, T.
Azuma
, J. U.
Andersen
, S. E.
Canton
, and K.
Hansen
, Phys. Rev. Lett.
103
, 143001
(2009
).46.
K.
Najafian
, M. S.
Pettersson
, B.
Dynefors
, H.
Shiromaru
, J.
Matsumoto
, H.
Tanuma
, T.
Furukawa
, T.
Azuma
, and K.
Hansen
, J. Chem. Phys.
140
, 104311
(2014
).47.
H.
Shiromaru
, T.
Furukawa
, G.
Ito
, N.
Kono
, H.
Tanuma
, J.
Matsumoto
, M.
Goto
, T.
Majima
, A. E. K.
Sundén
, K.
Najafian
et al, J. Phys.: Conf. Ser.
635
, 012035
(2015
).48.
N.
Kono
, R.
Suzuki
, T.
Furukawa
, J.
Matsumoto
, H.
Tanuma
, H.
Shiromaru
, T.
Azuma
, and K.
Hansen
, Phys. Rev. A
98
, 063434
(2018
).49.
F.-Q.
Chen
, N.
Kono
, R.
Suzuki
, T.
Furukawa
, H.
Tanuma
, P.
Ferrari
, T.
Azuma
, J.
Matsumoto
, H.
Shiromaru
, V.
Zhaunerchyk
et al, Phys. Chem. Chem. Phys.
21
, 1587
(2019
).50.
M. H.
Stockett
, J. N.
Bull
, J. T.
Buntine
, E.
Carrascosa
, E. K.
Anderson
, M.
Gatchell
, M.
Kaminska
, R. F.
Nascimento
, H.
Cederquist
, H. T.
Schmidt
et al, Eur. Phys. J. D
74
, 150
(2020
).51.
J. N.
Bull
, M. S.
Scholz
, E.
Carrascosa
, M. K.
Kristiansson
, G.
Eklund
, N.
Punnakayathil
, N.
de Ruette
, H.
Zettergren
, H. T.
Schmidt
, H.
Cederquist
et al, J. Chem. Phys.
151
, 114304
(2019
).52.
M. H.
Stockett
, J. N.
Bull
, J. T.
Buntine
, E.
Carrascosa
, M.
Ji
, N.
Kono
, H. T.
Schmidt
, and H.
Zettergren
, J. Chem. Phys.
153
, 154303
(2020
).53.
A.
Léger
, P.
Boissel
, and L.
d’Hendecourt
, Phys. Rev. Lett.
60
, 921
(1988
).54.
W. W.
Duley
, Astrophys. J.
705
, 446
(2009
).55.
T. S.-Y.
Lai
, A. N.
Witt
, C.
Alvarez
, and J.
Cami
, Mon. Not. R. Astron. Soc.
492
, 5853
(2020
).56.
T. S.-Y.
Lai
, A. N.
Witt
, and K.
Crawford
, Mon. Not. R. Astron. Soc.
469
, 4933
(2017
).57.
K.
Sellgren
, Astrophys. J.
277
, 623
(1984
).58.
R.
Mitzner
and E. E. B.
Campbell
, J. Chem. Phys.
103
, 2445
(1995
).59.
E. A.
Rohlfing
, J. Chem. Phys.
89
, 6103
(1988
).60.
S.
Martin
, J.
Bernard
, R.
Brédy
, B.
Concina
, C.
Joblin
, M.
Ji
, C.
Ortega
, and L.
Chen
, Phys. Rev. Lett.
110
, 063003
(2013
).61.
M.
Saito
, H.
Kubota
, K.
Yamasa
, K.
Suzuki
, T.
Majima
, and H.
Tsuchida
, Phys. Rev. A
102
, 012820
(2020
).62.
G.
Ito
, T.
Furukawa
, H.
Tanuma
, J.
Matsumoto
, H.
Shiromaru
, T.
Majima
, M.
Goto
, T.
Azuma
, and K.
Hansen
, Phys. Rev. Lett.
112
, 183001
(2014
).63.
V.
Chandrasekaran
, B.
Kafle
, A.
Prabhakaran
, O.
Heber
, M.
Rappaport
, H.
Rubinstein
, D.
Schwalm
, Y.
Toker
, and D.
Zajfman
, J. Phys. Chem. Lett.
5
, 4078
(2014
).64.
K.
Peeters
, E.
Janssens
, K.
Hansen
, P.
Lievens
, and P.
Ferrari
, Phys. Rev. Res.
3
, 033225
(2021
).65.
R.
Englman
and J.
Jortner
, Mol. Phys.
18
, 145
(1970
).66.
E. S.
Medvedev
and V. I.
Osherov
, Springer Series in Chemical Physics (Springer-Verlag
, 1995
).67.
D. J.
Nesbitt
and R. W.
Field
, J. Phys. Chem.
100
, 12735
(1996
).68.
M.
Quack
, Annu. Rev. Phys. Chem.
41
, 839
(1990
).69.
70.
C.
Lifshitz
, Int. J. Mass Spectrom.
200
, 423
(2000
).71.
M.
Basire
, P.
Parneix
, T.
Pino
, P.
Bréchignac
, and F.
Calvo
, in PAHs and the Universe
, EAS Publication Series Vol. 46, edited by C.
Joblin
and A. G. G. M.
Tielens
(EDP Sciences
, 2011
), p. 95
.72.
P.
Parneix
, M.
Basire
, and F.
Calvo
, J. Phys. Chem. A
117
, 3954
(2013
).73.
J. F.
Durana
and J.
McDonald
, J. Chem. Phys.
64
, 2518
(1976
).74.
D. J.
Cook
and R. J.
Saykally
, Astrophys. J.
493
, 793
(1998
).75.
C.
Cohen-Tannoudji
, B.
Diu
, and F.
Laloë
, Quantum Mechanics
(Wiley-VCH
, 2020
), Vol. 2.76.
77.
C.
Lifshitz
, Int. J. Mass Spectrom.
198
, 1
(2000
).78.
G.
Sánchez
, S.
Díaz-Tendero
, M.
Alcamí
, and F.
Martín
, Chem. Phys. Lett.
416
, 14
(2005
).79.
B.
Concina
, K.
Głuch
, S.
Matt-Leubner
, O.
Echt
, P.
Scheier
, and T. D.
Märk
, Chem. Phys. Lett.
407
, 464
(2005
).80.
K.
Gluch
, J.
Fedor
, S.
Matt-Leubner
, R.
Parajuli
, C.
Mair
, A.
Stamatovic
, O.
Echt
, C.
Lifshitz
, J.
Harvey
, F.
Hagelberg
et al, Eur. Phys. J. D
24
, 131
(2003
).81.
S.
Tomita
, J. U.
Andersen
, C.
Gottrup
, P.
Hvelplund
, and U. V.
Pedersen
, Phys. Rev. Lett.
87
, 073401
(2001
).82.
Y. F.
Chang
, J. P.
Zhang
, H.
Sun
, B.
Hong
, Z.
An
, and R. S.
Wang
, Int. J. Quantum Chem.
105
, 142
(2005
).83.
M. B.
Sowa
, P. A.
Hintz
, and S. L.
Anderson
, J. Chem. Phys.
95
, 4719
(1991
).84.
L.
Montagnon
and F.
Spiegelman
, Eur. Phys. J. D
43
, 7
(2007
).85.
K.
Saha
, V.
Chandrasekaran
, O.
Heber
, M. A.
Iron
, M. L.
Rappaport
, and D.
Zajfman
, Nat. Commun.
9
, 912
(2018
).86.
F.
Calvo
, M.
Basire
, and P.
Parneix
, J. Phys. Chem. A
115
, 8845
(2011
).87.
K. A.
Fichthorn
and W. H.
Weinberg
, J. Chem. Phys.
95
, 1090
(1991
).88.
T.
Beyer
and D. F.
Swinehart
, Commun. ACM
16
, 379
(1973
).89.
J. R.
Heath
, R. F.
Curl
, and R. E.
Smalley
, J. Chem. Phys.
87
, 4236
(1987
).90.
J.
Robertson
and E. P.
O’Reilly
, Phys. Rev. B
35
, 2946
(1987
).91.
J. R.
Platt
, J. Chem. Phys.
17
, 484
(1949
).92.
I.
Cherchneff
and J. R.
Barker
, Astrophys. J.
341
, L21
(1989
).93.
R. M.
Williams
and S. R.
Leone
, Astrophys. J.
443
, 675
(1995
).94.
D. J.
Cook
, S.
Schlemmer
, N.
Balucani
, D. R.
Wagner
, B.
Steiner
, and R. J.
Saykally
, Nature
380
, 227
(1996
).95.
C.
Falvo
, H.
Friha
, T.
Pino
, Z.
Dhaouadi
, P.
Parneix
, F.
Calvo
, and P.
Bréchignac
, Phys. Chem. Chem. Phys.
15
, 10241
(2013
).96.
C.
Falvo
, F.
Calvo
, and P.
Parneix
, J. Chem. Phys.
137
, 064303
(2012
).97.
© 2022 Author(s). Published under an exclusive license by AIP Publishing.
2022
Author(s)
You do not currently have access to this content.
