Een team van onderzoekers uit Italië, Noorwegen, en Duitsland heeft aangetoond dat de eigenschappen van moleculen significante veranderingen ondergaan bij interactie met gekwantiseerde elektromagnetische velden in optische holtes. Met behulp van nieuwe theoretische methodologieën en computationele simulaties, het team onthulde dat de chemie van de grond- en aangeslagen toestand van moleculen kan worden gewijzigd door een opsluiting in de ruimte. Ze laten zien hoe de overdracht van elektronen in het systeem kan worden geregeld door de frequentie van het holteveld te moduleren. Hun nieuw ontwikkelde methodologie zou een diepgaande impact kunnen hebben op veel chemische en technologische toepassingen, zoals fotovoltaïsche, fotochemie, en opto-elektronische apparaten. Het werk van het team is nu gepubliceerd in Fysieke beoordeling X en bovendien gemarkeerd in een gezichtspunt door het tijdschrift.

Cavity quantum optics houdt zich bezig met de interacties van fotonen en moleculen in een optische holte, bijvoorbeeld ingesloten tussen twee dicht bij elkaar gelegen spiegels. Perfecte optische holtes kunnen alleen bepaalde lichtfrequenties ondersteunen en versterken de intensiteit van het bijbehorende elektromagnetische veld. Dit veroorzaakt ingrijpende veranderingen in het gedrag van moleculen die in een optische holte worden geplaatst. In deze situatie, fotonen en moleculen kunnen koppelen en nieuwe hybride toestanden vormen die bekend staan ​​als polaritonen. belangrijk, deze hybride toestanden vertonen eigenschappen van zowel de moleculen als de fotonen. Dit betekent dat hun chemisch gedrag optisch kan worden gemanipuleerd, bijvoorbeeld door de fotonenergie en de holtegeometrie af te stemmen. Vandaar dat holtes een geheel nieuwe hefboom vormen voor het beheersen van moleculaire eigenschappen.

Toch moeten de eigenschappen van moleculen in holten beter worden begrepen. Terwijl theoretische modellering in kwantumoptica een uitgebreide beschrijving biedt van het elektromagnetische veld in de holte, ze geven een onvoldoende beschrijving van het molecuul. Tot dusver, de enige methode die elektronen en fotonen op hetzelfde kwantisatieniveau behandelt, is de kwantumelektrodynamische dichtheidsfunctionaaltheorie, die beperkt is tot situaties waarin elektronen en fotonen ongecorreleerd zijn.

Echter, de correlatie tussen elektronen en fotonen is cruciaal voor het vastleggen van veranderingen in moleculaire eigenschappen, zelfs kwalitatief. "Deze correlatie-effecten waren onze focus, " zegt Tor Haugland, doctoraat student aan de Noorse Universiteit voor Wetenschap en Technologie en hoofdauteur van het artikel. "Onze theorie is de eerste ab initio-theorie die een sterke elektron-foton-correlatie expliciet op een coherente en systematisch te verbeteren manier opneemt."

De onderzoekers breidden de gevestigde gekoppelde clustertheorie voor elektronische structuur uit met kwantumelektrodynamica. Met behulp van dit nieuwe kader, ze toonden aan dat potentiële energie-oppervlakken in de grondtoestand worden gemodificeerd door de holte in de buurt van conische interacties.

"Deze benadering maakt de weg vrij voor nieuwe strategieën om de moleculaire chemie te beheersen, " zegt co-auteur Enrico Ronca, een voormalig postdoctoraal onderzoeker bij de MPSD, nu gevestigd bij het Instituut voor Fysisch-Chemische Processen van de Nationale Onderzoeksraad van Italië (IPCF-CNR). "We hebben solide theoretische methoden nodig om de fundamentele processen te begrijpen die ons kunnen helpen om atomen en moleculen met kwantumlicht te manipuleren."

De bevindingen van het team kunnen het huidige begrip van de ontspanningsroutes en fotochemie van moleculen aanzienlijk vergroten.