Ett team av forskare från Italien, Norge, och Tyskland har visat att egenskaperna hos molekyler genomgår betydande förändringar när de interagerar med kvantiserade elektromagnetiska fält i optiska kaviteter. Använda nya teoretiska metoder och beräkningssimuleringar, teamet avslöjade att grund- och exciterade tillståndskemi hos molekyler kan modifieras genom en inneslutning i rymden. De visar hur överföringen av elektroner inuti systemet kan styras genom att modulera kavitetsfältets frekvens. Deras nyutvecklade metodik kan ha en djupgående inverkan på många kemiska och tekniska tillämpningar, som solceller, fotokemi, och optoelektroniska anordningar. Teamets arbete har nu publicerats i Fysisk granskning X och dessutom markerad i en Viewpoint av tidskriften.

Kavitetskvantoptik handlar om interaktionen mellan fotoner och molekyler inuti en optisk kavitet, till exempel innesluten mellan två tätt belägna speglar. Perfekta optiska kaviteter kan bara stödja vissa ljusfrekvenser och de ökar intensiteten hos det associerade elektromagnetiska fältet. Detta orsakar djupgående förändringar i beteendet hos molekyler som placeras i en optisk kavitet. I den här situationen, fotoner och molekyler kan koppla ihop och bilda nya hybridtillstånd som kallas polaritoner. Viktigt, dessa hybridtillstånd uppvisar egenskaper hos både molekylerna och fotonerna. Detta innebär att deras kemiska beteende kan manipuleras optiskt, till exempel genom att ställa in fotonenergin och kavitetsgeometrin. Därför representerar kaviteter en helt ny hävstång för att kontrollera molekylära egenskaper.

Ändå måste egenskaperna hos molekyler i kaviteter förstås bättre. Medan teoretisk modellering inom kvantoptik erbjuder en utarbetad beskrivning av det elektromagnetiska fältet i kaviteten, de ger en otillräcklig beskrivning av molekylen. Än så länge, den enda metoden som behandlar elektroner och fotoner på samma kvantiseringsnivå är kvantelektrodynamisk densitetsfunktionsteori, vilket är begränsat till situationer där elektroner och fotoner är okorrelerade.

Dock, korrelationen mellan elektroner och fotoner är avgörande för att fånga förändringar i molekylära egenskaper, även kvalitativt. "Dessa korrelationseffekter var vårt fokus, säger Tor Haugland, Ph.D. student vid Norges teknisk-naturvetenskapliga universitet och huvudförfattare till uppsatsen. "Vår är den första ab initio-teorin som innehåller stark elektron-foton-korrelation explicit på ett sammanhängande och systematiskt förbättringsbart sätt."

Forskarna utökade den väletablerade teorin om kopplade kluster för elektronisk struktur till att omfatta kvantelektrodynamik. Med detta nya ramverk, de visade att potentiella energiytor i marktillstånd modifieras av kaviteten nära koniska interaktioner.

"Detta tillvägagångssätt banar väg för nya strategier för att kontrollera molekylär kemi, " säger medförfattaren Enrico Ronca, en före detta postdoktor vid MPSD som nu är baserad på Institutet för fysisk-kemiska processer vid Italiens nationella forskningsråd (IPCF-CNR). "Vi behöver solida teoretiska metoder för att förstå de grundläggande processerna som kan hjälpa oss att manipulera atomer och molekyler med kvantljus."

Teamets resultat kan avsevärt öka den nuvarande förståelsen av molekylers avslappningsvägar och fotokemi.