Fisica: svelato come i fotoni possono modificare le proprietà delle molecole

All’interno di cavità ottiche le proprietà delle molecole possono essere fortemente modificate dall’interazione con campi elettromagnetici quantizzati

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Attraverso approcci teorici e computazionali innovativi, un team internazionale di ricercatori – per l’Italia della Scuola Normale Superiore (SNS) e dell’Istituto per i Processi Chimico-Fisici del CNR (IPCF-CNR) -ha svelato come il confinamento spaziale di sistemi molecolari possa influenzare la loro chimica di stato fondamentale ed eccitato. Il lavoro, pubblicato sulla rivista Physical Review X, dimostra come il trasferimento di carica all’interno del sistema possa essere controllato modulando la frequenza del campo in cavità. Questi effetti potranno avere ampio impatto per molteplici applicazioni in chimica e in tecnologia, come nel campo del fotovoltaico, della fotochimica e dell’optoelettronica.

L’ottica quantistica tratta l’interazione di fotoni e molecole all’interno di cavità ottiche. Una cavità ottica è una regione di spazio separata da due specchi posti a distanza ravvicinata.  A seconda della separazione tra le superfici riflettenti può accettare solamente alcune frequenze della luce ed ha la capacità di amplificare l’intensità del campo elettromagnetico associato. Queste restrizioni energetiche e variazioni nella forza del campo non sono presenti in condizioni standard fuori dalla cavità e questo porta ad evidenti cambiamenti nel comportamento delle molecole. All’interno della cavità elettroni e fotoni interagiscono formando nuovi stati ibridi chiamati polaritoni. È importante evidenziare che i polaritoni hanno sia un carattere elettronico che un carattere fotonico e questo conferisce loro un comportamento chimico diverso e manipolabile otticamente; per esempio modulando l’energia dei fotoni e la geometria della cavità.

Finora, l’unico metodo in grado di trattare elettroni e fotoni allo stesso livello è il quantum electrodynamical density functional theory, che però si limita a descrivere sistemi non correlati. La correlazione tra elettroni e fotoni è tuttavia cruciale per descrivere i cambiamenti indotti dalla cavità, anche solo a livello qualitativo.

Il lavoro presentato da Tor Haugland, studente di dottorato alla Norwegian University of Science and Technology, e dai sui colleghi, presenta la prima teoria ab initio capace di includere effetti di correlazione forte tra elettroni e fotoni in maniera esplicita e sistematica. Il gruppo ha esteso la teoria coupled cluster, nota per la sua accuratezza nella descrizione di sistemi elettronici, alla quanto-elettrodinamica. Usando questa nuova metodologia, i ricercatori hanno dimostrato che le superfici di energia potenziale di un sistema nel suo stato fondamentale possono essere modificate dalla cavità nei pressi di intersezioni coniche. Questo potrebbe avere un ampio impatto sui processi di rilassamento e sulla fotochimica di molecole, nonché in scienza dei materiali.

Il team di ricercatori è composto da membri provenienti da diverse Istituzioni Europee: oltre alla Scuola Normale Superiore (SNS) e all’Istituto per i Processi Chimico-Fisici del CNR (IPCF-CNR), entrambi a Pisa, la Norwegian University of Science and Technology (NTNU) a Trondheim (Norvegia) e il Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter (MPSD), ad Amburgo (Germania).

Pubblicazione di Riferimento:

“Coupled Cluster Theory for Molecular Polaritons: Changing Ground and Excited States”, Tor S. Haugland, Enrico Ronca, Eirik F. Kjønstad, Angel Rubio, Henrik Koch, Phys. Rev. X, 10, 041043, (2020).