Une équipe de chercheurs italiens, Norvège, et l'Allemagne a démontré que les propriétés des molécules subissent des changements significatifs lors de l'interaction avec les champs électromagnétiques quantifiés dans les cavités optiques. En utilisant de nouvelles méthodologies théoriques et des simulations informatiques, l'équipe a révélé que la chimie de l'état fondamental et excité des molécules peut être modifiée par un confinement dans l'espace. Ils montrent comment le transfert d'électrons à l'intérieur du système peut être contrôlé en modulant la fréquence du champ de la cavité. Leur méthodologie nouvellement développée pourrait avoir un impact profond sur de nombreuses applications chimiques et technologiques, comme le photovoltaïque, photochimie, et dispositifs optoélectroniques. Les travaux de l'équipe sont maintenant publiés dans Examen physique X et en outre mis en évidence dans un point de vue par le journal.

L'optique quantique de cavité traite des interactions de photons et de molécules à l'intérieur d'une cavité optique, par exemple enfermé entre deux miroirs rapprochés. Les cavités optiques parfaites ne peuvent supporter que certaines fréquences de lumière et elles augmentent l'intensité du champ électromagnétique associé. Cela provoque de profonds changements dans le comportement des molécules qui sont placées dans une cavité optique. Dans cette situation, les photons et les molécules peuvent se coupler et former de nouveaux états hybrides appelés polaritons. Surtout, ces états hybrides présentent des propriétés à la fois des molécules et des photons. Cela signifie que leur comportement chimique peut être manipulé optiquement, par exemple en ajustant l'énergie des photons et la géométrie de la cavité. Les cavités représentent donc un tout nouveau levier de contrôle des propriétés moléculaires.

Pourtant, les propriétés des molécules dans les cavités doivent être mieux comprises. Alors que la modélisation théorique en optique quantique offre une description élaborée du champ électromagnétique dans la cavité, ils fournissent une description insuffisante de la molécule. Jusque là, la seule méthode qui traite les électrons et les photons au même niveau de quantification est la théorie fonctionnelle de la densité électrodynamique quantique, qui est limité aux situations où les électrons et les photons ne sont pas corrélés.

Cependant, la corrélation entre les électrons et les photons est cruciale pour capturer les changements de propriétés moléculaires, même qualitativement. "Ces effets de corrélation étaient notre objectif, " dit Tor Haugland, doctorat étudiant à l'Université norvégienne des sciences et de la technologie et auteur principal de l'article. "La nôtre est la première théorie ab initio qui intègre explicitement une forte corrélation électron-photon d'une manière cohérente et systématiquement améliorable."

Les chercheurs ont étendu la théorie des clusters couplés bien établie pour la structure électronique afin d'inclure l'électrodynamique quantique. En utilisant ce nouveau cadre, ils ont montré que les surfaces d'énergie potentielle à l'état fondamental sont modifiées par la cavité à proximité d'interactions coniques.

« Cette approche ouvre la voie à de nouvelles stratégies pour contrôler la chimie moléculaire, " dit le co-auteur Enrico Ronca, un ancien chercheur postdoctoral au MPSD désormais basé à l'Institut des procédés physico-chimiques du Conseil national de la recherche d'Italie (IPCF-CNR). "Nous avons besoin de méthodes théoriques solides pour comprendre les processus fondamentaux qui peuvent nous aider à manipuler les atomes et les molécules avec la lumière quantique."

Les découvertes de l'équipe pourraient considérablement améliorer la compréhension actuelle des voies de relaxation et de la photochimie des molécules.