精确的理论模型揭示了分子与量子光相互作用的变化

光学腔内的量子真空场与分子相互作用的示意图

作者：Enrico Ronca，Jörg Harms/MPSD

    一组来自意大利、挪威和德国的研究人员证明，当与光学腔中的量子化电磁场相互作用时，分子的性质会发生显著变化。利用新的理论方法和计算模拟，研究小组揭示了分子的基态和激发态化学可以通过空间的限制而改变。它们展示了电子在系统内的转移是如何通过调节腔场的频率来控制的。他们新开发的方法可以对许多化学和技术应用产生深远的影响，如光电，光化学和光电子设备。该团队的研究成果现已发表在《物理评论X》杂志上，并被该杂志的观点加以强调。

    腔量子光学研究光学腔内光子和分子之间的相互作用，例如封闭在两个间隔很近的镜子之间。完美的光学腔只能支持特定频率的光，它们增强了相关电磁场的强度。这将引起放置在光学腔中的分子行为的深刻变化。在这种情况下，光子和分子可以耦合并形成新的混合态，称为极化子。重要的是，光子和这些分子的混合态都表现出来了。这意味着它们的化学行为可以用光学方法来控制，例如通过调节光子能量和腔几何结构。因此，空穴代表了控制分子性质的全新杠杆。

    然而，空腔中分子的性质需要更好地理解。虽然量子光学中的理论模型提供了对空腔中电磁场的详细描述，但对分子的描述却不够充分。到目前为止，唯一能在同一量子化水平上处理电子和光子的方法是量子电动力学密度泛函理论，它仅限于电子和光子不相关的情况。

    但是，电子和光子之间的关联对于捕捉分子性质的变化，甚至是定性的变化至关重要。”挪威科技大学的博士生、论文的主要作者TorHaugland说：“这些关联效应是我们关注的焦点。”我们的第一个从头算理论，以一种连贯和系统的改进的方式明确地结合了强电子-光子关联。”

    研究人员扩展了电子结构的耦合团簇理论，将其包括在量子电动力学中。利用这一新的框架，他们表明基态势能面被接近锥形相互作用的空穴所修正。

    “这种方法为控制分子化学的新策略铺平了道路，”合著者恩里科·罗卡（Enrico Ronca）说，他曾是MPSD的博士后研究员，现就职于意大利国家研究委员会（IPCF-CNR）物理化学过程研究所我们需要坚实的理论方法来理解可以帮助我们用量子光操纵原子和分子的基本过程。”

    该研究小组的发现可以极大地促进目前对分子弛豫途径和光化学的理解。