11.12.2020

Moleküle im Quantenlicht

Moleküle verändern sich, wenn sie mit quantisierten elektromagnetischen Feldern in optischen Hohlräumen wechselwirken.

Ein Forschungsteam aus Italien, Norwegen und Deutschland hat gezeigt, dass sich die Eigenschaften von Molekülen signifikant verändern, wenn sie mit quantisierten elektro­magnetischen Feldern in optischen Hohlräumen wechselwirken. Mit Hilfe neuartiger theoretischer Methoden und Computer­simulationen wies das Team nach, dass die Chemie von Molekülen im Grund- und angeregten Zustand durch einen Einschluss in einem Hohlraum modifiziert werden kann. Die Forscher zeigten, wie die Modulation der Resonator­feldfrequenz den Elektronen­transfer innerhalb des Systems steuern kann. Ihre neu entwickelte Methodik ist potentiell wichtig für viele chemische und techno­logische Anwendungen, wie etwa für die Photovoltaik, Photochemie und opto­elektronische Geräte. 

Abb.: Illustration der Wechsel­wirkung eines Moleküls mit dem...
Abb.: Illustration der Wechsel­wirkung eines Moleküls mit dem Quanten­vakuumfeld in einem optischen Hohlraum. (Bild: E. Ronca & J. Harms, MPSD)

Die Hohlraum-Quantenoptik befasst sich mit den Wechsel­wirkungen von Photonen und Molekülen in einem optischen Hohlraum, der beispielsweise zwischen zwei dicht beieinander liegenden Spiegeln eingeschlossen ist. Perfekte optische Hohlräume können nur bestimmte Frequenzen des Lichts unterstützen und verstärken die Intensität des damit verbundenen elektro­magnetischen Feldes. Dies verursacht tief­greifende Veränderungen im Verhalten von dort platzierten Molekülen. In dieser Situation können sich Photonen und Moleküle koppeln und neue Hybridzustände, so genannte Polaritonen, bilden. Bemerkenswert ist, dass diese Hybrid­zustände Eigen­schaften sowohl der Moleküle als auch der Photonen aufweisen. Dadurch kann ihr chemisches Verhalten optisch manipuliert werden, zum Beispiel durch Änderungen der Photonen­energie und der Hohlraum­geometrie. So stellen Hohlräume einen völlig neuen Hebel zur Steuerung molekularer Eigenschaften dar.

Noch sind die Eigenschaften von Molekülen in Hohlräumen nicht ausreichend verstanden. Die theo­retische Modellierung in der Quantenoptik bietet zwar eine ausführliche Beschreibung des elektro­magnetischen Feldes im Hohlraum, nicht jedoch des Moleküls. Die bislang einzige Methode, die Elektronen und Photonen auf dem gleichen Quantisierungs­niveau behandelt, ist die quantenelektro­dynamische Dichte­funktionaltheorie, aber sie ist wiederum auf Situationen beschränkt, in denen Elektronen und Photonen unkorreliert sind. Genau diese Korrelation zwischen Elektronen und Photonen ist entscheidend für die Erfassung von Änderungen der molekularen Eigen­schaften, auch qualitativ. „Diese Korrelations­effekte waren unser Schwerpunkt“, sagt Tor Haugland, Doktorand an der Norwegischen Universität für Wissenschaft und Technik. „Unsere Theorie ist die erste ab initio-Theorie, die eine starke Elektron-Photon-Korrelation explizit in einer kohärenten und systematisch verbesserungs­fähigen Weise einbezieht.“

Die Forscher erweiterten die etablierte gekoppelte Cluster-Theorie für elek­tronische Strukturen um die Quanten­elektrodynamik. Mit dieser neuen theoretischen Methode konnten sie zeigen, dass die Oberflächen der potentiellen Energie im Grundzustand durch den Hohlraum in der Nähe von konischen Wechsel­wirkungen modifiziert werden. „Dieser Ansatz ebnet den Weg für neuartige Strategien zur Steuerung der Molekularchemie“, sagt Enrico Ronca vom Institut für Physikalisch-Chemische Prozesse des Consiglio Nazionale delle Ricerche in Italien. „Wir brauchen solide theoretische Methoden, um die grund­legenden Prozesse zu verstehen, die uns helfen können, Atome und Moleküle mit Quantenlicht zu manipulieren.“ Die Ergebnisse des Teams könnten das derzeitige Verständnis der Relaxations­wege und der Photochemie von Molekülen erheblich verbessern. 

MPSD / JOL

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