Tecnologia Científica

Modelagem teórica precisa desvenda mudanças nas moléculas que interagem com a luz quântica
Cavidades óticas perfeitas só podem suportar certas frequências de luz e aumentam a intensidade do campo eletromagnético associado.
Por Max Planck Society - 15/12/2020


Ilustração de uma molécula interagindo com o campo de vácuo quântico dentro de uma cavidade óptica. Crédito: Enrico Ronca, Jörg Harms / MPSD

Uma equipe de pesquisadores da Itália, Noruega e Alemanha demonstrou que as propriedades das moléculas sofrem mudanças significativas ao interagir com campos eletromagnéticos quantizados em cavidades ópticas. Usando novas metodologias teóricas e simulações computacionais, a equipe revelou que a química do estado fundamental e do estado excitado das moléculas pode ser modificada por um confinamento no espaço. Eles mostram como a transferência de elétrons dentro do sistema pode ser controlada pela modulação da frequência do campo da cavidade. Sua metodologia recém-desenvolvida pode ter um impacto profundo em muitas aplicações químicas e tecnológicas, como fotovoltaica, fotoquímica e dispositivos optoeletrônicos. O trabalho da equipe já foi publicado na Physical Review Xe adicionalmente destacado em um ponto de vista pela revista.

A óptica quântica de cavidade lida com as interações de fótons e moléculas dentro de uma cavidade óptica, por exemplo, encerrada entre dois espelhos próximos. Cavidades óticas perfeitas só podem suportar certas frequências de luz e aumentam a intensidade do campo eletromagnético associado. Isso causa mudanças profundas no comportamento das moléculas que são colocadas em uma cavidade óptica. Nessa situação, os fótons e as moléculas podem se acoplar e formar novos estados híbridos conhecidos como polaritons. É importante ressaltar que esses estados híbridos exibem propriedades tanto das moléculas quanto dos fótons. Isso significa que seu comportamento químico pode ser manipulado opticamente, por exemplo, ajustando a energia do fótone a geometria da cavidade. Portanto, as cavidades representam uma alavanca inteiramente nova para controlar as propriedades moleculares.

No entanto, as propriedades das moléculas nas cavidades precisam ser melhor compreendidas. Embora a modelagem teórica em óptica quântica ofereça uma descrição elaborada do campo eletromagnético na cavidade, eles fornecem uma descrição insuficiente da molécula. Até agora, o único método que trata elétrons e fótons no mesmo nível de quantização é a teoria funcional da densidade eletrodinâmica quântica, que é limitada a situações em que elétrons e fótons não estão correlacionados.

No entanto, a correlação entre elétrons e fótons é crucial para captar mudanças nas propriedades moleculares, mesmo qualitativamente. "Esses efeitos de correlação eram nosso foco", disse Tor Haugland, Ph.D. estudante da Universidade Norueguesa de Ciência e Tecnologia e principal autor do artigo. "A nossa é a primeira teoria ab initio que incorpora uma forte correlação elétron- fóton explicitamente de uma forma coerente e sistematicamente improvável."

Os pesquisadores ampliaram a teoria de agrupamento acoplado bem estabelecida para a estrutura eletrônica para incluir a eletrodinâmica quântica. Usando esta nova estrutura, eles mostraram que as superfícies de energia potencial do estado fundamental são modificadas pela cavidade perto de interações cônicas.

"Essa abordagem abre caminho para novas estratégias de controle da química molecular", diz o co-autor Enrico Ronca, ex-pesquisador de pós-doutorado no MPSD, agora baseado no Instituto de Processos Físico-Químicos do Conselho Nacional de Pesquisa da Itália (IPCF-CNR ) "Precisamos de métodos teóricos sólidos para entender os processos fundamentais que podem nos ajudar a manipular átomos e moléculas com luz quântica."

As descobertas da equipe podem aumentar significativamente a compreensão atual das vias de relaxamento e fotoquímica das moléculas.

 

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