C'est à quoi ressemble le plaisir pour un ensemble particulier de chimistes théoriques poussés à résoudre des problèmes extrêmement difficiles: décider si les champs électromagnétiques dans les polaritons moléculaires doivent être traités de manière classique ou quantique mécaniquement.
L'étudiant diplômé Millan Welman du groupe Hammes-Schiffer est le premier auteur sur un nouvel article qui présente une hiérarchie des simulations des premiers principes de la dynamique des polaritons moléculaires. La recherche est publiée dans le Journal of Chemical Theory and Computation.
À l'origine 67 pages de long, le papier est dense avec des équations de von Neumann et des spectres de puissance. Il explore la dynamique sur les échelles d'énergie électronique et vibratoire. Il utilise la théorie fonctionnelle de la densité en fonction du temps (DFT) dans ses formes orbitales conventionnelles et nucléaires électroniques (NEO). Il couvre les approches semi-classiques, en champ moyen et sur le quantum complet pour simuler la dynamique des polariton.
Welman s'est amusé à le rassembler.
« Il existe des données qui existent du monde expérimental qui suggèrent que vous pouvez modifier les taux de réactions chimiques en les effectuant dans une cavité optique sous de fortes interactions avec un champ électromagnétique », a déclaré Welman. « C'est un problème merveilleux et amusant. J'ai adoré. Parce que si ces expériences sont réellement sur quelque chose, ce serait assez transformateur. »
Les polaritons sont à peu près définis comme des quasiparticules générés par de fortes interactions lumineuses. Ce sont des systèmes compliqués que nous ne comprenons pas pleinement, mais ils pourraient aider à faire progresser notre compréhension de la façon de contrôler le comportement moléculaire en utilisant la lumière.
L'article fournit un cadre conceptuel à travers lequel les expérimentateurs pourraient rechercher des comportements uniques en traitant la lumière (c'est-à-dire l'onde électromagnétique) quantiquement qui ne sont pas apparentes en la traitant classiquement. La signature de cette différence est toute preuve d'enchevêtrement quantique entre les photons et les molécules.
Les chercheurs voulaient déterminer si des preuves d'une telle différence pouvaient être détectées par des approches qui simulent sur le plan calculant les comportements dynamiques des polaritons moléculaires. C'est en effet le cas.
Avec A. Barton Hepburn, professeur de chimie, Sharon Hammes-Schiffer et ancien groupe postdoc Tao Li, Welman a publié l'article, qui présente des méthodes de premières principes pour simuler la dynamique en temps réel des polaritons moléculaires dans le régime de couplage fort.
Afin de percer le système compliqué de polaritons dans une perspective fondamentale, les chercheurs ont concentré leur travail sur une molécule interagissant avec une onde électromagnétique confinée dans une cavité optique.
« Nous restons simples », a déclaré Welman. « Mais il n'y a aucune réduction de la complexité du problème au-delà de ce qui est absolument nécessaire pour le rendre tractable sur votre ordinateur. »
C'est le type de recherche fondamentale qui peut ne pas avoir une application immédiate. Mais en tant que problème pratique dans le monde en évolution rapide de la science quantique, il est essentiel de comprendre la dynamique moléculaire et les façons dont les êtres humains pourraient les contrôler pour les technologies futures.
Creuser plus profondément pour voir l'enchevêtrement
Le groupe Hammes-Schiffer travaille sur la simulation de problèmes chimiques quantiques, en particulier ceux qui impliquent des effets quantiques nucléaires.
L'enquête sur cette recherche a commencé il y a plusieurs années lorsque Li était encore postdoc avec le laboratoire. En travaillant à partir de ce point avec une cavité simulée, Welman a traité le champ électromagnétique en utilisant à la fois des équations classiques de mouvement et de mécanique quantique, demandant s'il y aurait une différence de résultats. Il y a.
En surface, la dynamique des polaritons simulés – les spectres, la division du rabi, où les pics vont lorsque vous regardez comment le système se déplace – était tout de même et pourrait être décrit classiquement. Mais creusant plus profondément, Welman a découvert que les polaritons simulés ont également révélé un nouveau comportement en raison de l'enchevêtrement quantique.
« C'est quelque chose d'excitant qui est apparu. Personne d'autre n'a fait le quantum complet avec des électrons quantiques et des noyaux quantiques et un mode de cavité quantique de manière dynamique. C'est ce qui rend cette recherche différente », a déclaré Hammes-Schiffer.
« Alors, la question est, à quel point est-ce important et comment pouvons-nous le contrôler? Et aussi, comment guider les expérimentateurs pour pouvoir le voir dans leurs expériences? Ce sont les plus grandes questions que nous posons.
« Qu'ils puissent le mesurer expérimentalement, nous ne savons pas encore. Dans un sens, nous pouvons dire à un expérimentaliste qu'ils peuvent augmenter le couplage et ensuite ils verront l'enchevêtrement. C'est un type de comportement différent », a-t-elle ajouté. « Mais quand même, nous avons du chemin à parcourir avant de vraiment comprendre tout cela. »
La meilleure description
En quantifiant le rôle de l'enchevêtrement de la lumière-coup, le laboratoire a produit le type de description nécessaire pour le traitement de la lumière lorsque les scientifiques simulent les polaritons. Leur méthodologie fait avancer une approche de l'étude des polaritons qui dépend non seulement du temps, mais contraste avec les systèmes modèles plus conventionnels et simplifiés.
« J'ai eu l'occasion dans cet article de plonger profondément dans une application très nouvelle, en utilisant la théorie fonctionnelle de la densité – qui, je pense, est une belle théorie – et de l'appliquer au beau problème de comprendre une petite partie sur la queue du plus grand spectre de la façon dont les champs légers et électromagnétiques interagissent avec les molécules », a déclaré Welman. « Cette expérience a-t-elle toujours été facile? Absolument pas. Mais elle a été profondément enrichissante. »
Parce que cet article a examiné un champ électromagnétique interagissant avec une seule molécule, les chercheurs espèrent ensuite construire vers de plus en plus de molécules pour refléter les investigations que les chimistes physiques expérimentaux pourraient mener à bien.
« Parfois, vous faites la dynamique des premiers principes et voyez ce que vous obtenez », a déclaré Hammes-Schiffer. « Maintenant que nous avons fait cela, il y a beaucoup de directions que Millan pourrait faire la recherche. Cela ouvre vraiment beaucoup de questions. Ce document particulier est une étape dans le voyage à l'avenir. Et maintenant, nous allons y construire. »
