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    Un'accurata modellazione teorica svela i cambiamenti nelle molecole che interagiscono con la luce quantistica

    Illustrazione di una molecola che interagisce con il campo del vuoto quantistico all'interno di una cavità ottica Credit:Enrico Ronca, Jörg Harms / MPSD

    Un team di ricercatori dall'Italia, Norvegia, e la Germania ha dimostrato che le proprietà delle molecole subiscono cambiamenti significativi quando interagiscono con campi elettromagnetici quantizzati nelle cavità ottiche. Utilizzando nuove metodologie teoriche e simulazioni computazionali, il team ha rivelato che la chimica dello stato fondamentale e dello stato eccitato delle molecole può essere modificata da un confinamento nello spazio. Mostrano come il trasferimento di elettroni all'interno del sistema può essere controllato modulando la frequenza del campo della cavità. La loro metodologia di recente sviluppo potrebbe avere un profondo impatto su molte applicazioni chimiche e tecnologiche, come il fotovoltaico, fotochimica, e dispositivi optoelettronici. Il lavoro del team è stato pubblicato su Revisione fisica X e inoltre evidenziato in un punto di vista dal giornale.

    L'ottica quantistica della cavità si occupa delle interazioni di fotoni e molecole all'interno di una cavità ottica, per esempio racchiuso tra due specchi ravvicinati. Le cavità ottiche perfette possono supportare solo determinate frequenze di luce e aumentano l'intensità del campo elettromagnetico associato. Ciò provoca profondi cambiamenti nel comportamento delle molecole che vengono poste in una cavità ottica. In questa situazione, fotoni e molecole possono accoppiarsi e formare nuovi stati ibridi noti come polaritoni. È importante sottolineare che questi stati ibridi mostrano proprietà sia delle molecole che dei fotoni. Ciò significa che il loro comportamento chimico può essere manipolato otticamente, per esempio sintonizzando l'energia del fotone e la geometria della cavità. Quindi le cavità rappresentano una leva completamente nuova per il controllo delle proprietà molecolari.

    Tuttavia, le proprietà delle molecole nelle cavità devono essere comprese meglio. Mentre la modellizzazione teorica in ottica quantistica offre una descrizione elaborata del campo elettromagnetico nella cavità, forniscono una descrizione insufficiente della molecola. Finora, l'unico metodo che tratta elettroni e fotoni allo stesso livello di quantizzazione è la teoria del funzionale della densità elettrodinamica quantistica, che è limitato a situazioni in cui elettroni e fotoni non sono correlati.

    Però, la correlazione tra elettroni e fotoni è cruciale per catturare i cambiamenti nelle proprietà molecolari, anche qualitativamente. "Questi effetti di correlazione erano il nostro obiettivo, "dice Tor Haugland, dottorato di ricerca studente presso l'Università norvegese di scienza e tecnologia e autore principale dell'articolo. "La nostra è la prima teoria ab initio che incorpora una forte correlazione elettrone-fotone in modo esplicito in modo coerente e sistematicamente migliorabile".

    I ricercatori hanno esteso la consolidata teoria dei cluster accoppiati per la struttura elettronica per includere l'elettrodinamica quantistica. Utilizzando questo nuovo framework, hanno mostrato che le superfici di energia potenziale dello stato fondamentale sono modificate dalla cavità vicino alle interazioni coniche.

    "Questo approccio apre la strada a nuove strategie per controllare la chimica molecolare, " afferma il coautore Enrico Ronca, un ex ricercatore post-dottorato presso il MPSD ora sede presso l'Istituto per i Processi Fisico-Chimici del Consiglio Nazionale delle Ricerche (IPCF-CNR). "Abbiamo bisogno di solidi metodi teorici per comprendere i processi fondamentali che possono aiutarci a manipolare atomi e molecole con la luce quantistica".

    I risultati del team potrebbero migliorare in modo significativo l'attuale comprensione dei percorsi di rilassamento e della fotochimica delle molecole.


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