[論文レビュー] Molding Molecular and Material Properties by Strong Light-Matter Coupling

Branko Kolarić, Björn Maes+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 16, 2018

Strong Light-Matter Interactions参考文献 91被引用数 22

ひとこと要約

このレビューは、光学キャビティ内の真空中の場の相互作用を通じてハイブリッド光物質状態（ポラリトン）を設計することにより、分子および物質的性質—反応性、相転移、電導性—に対する前例のない制御が、強力な光物質結合によって可能であることを示している。主な貢献は、化学的構造を変更せずに物質を形作るための量子フレームワークの確立であり、これは量子材料、化学、生物学分野における新たな道筋を拓く。

ABSTRACT

When atoms come together and bond, we call these new states molecules, and their properties determine many aspects of our daily life. Strangely enough, it is conceivable for light and molecules to bond, creating new hybrid light-matter states with far-reaching consequences for these strongly coupled materials. Even stranger, there is no `real' light needed to obtain the effects, it simply appears from the vacuum, creating `something from nothing'. Surprisingly, the setup required to create these materials has become moderately straightforward. In its simplest form, one only needs to put a strongly absorbing material at the appropriate place between two mirrors, and quantum magic can appear. Only recently has it been discovered that strong coupling can affect a host of significant effects at a material and molecular level, which were thought to be independent of the `light' environment: phase transitions, conductivity, chemical reactions, etc. This review addresses the fundamentals of this opportunity: the quantum mechanical foundations, the relevant plasmonic and photonic structures, and a description of the various applications, connecting materials chemistry with quantum information, nonlinear optics and chemical reactivity. Ultimately, revealing the interplay between light and matter in this new regime opens attractive avenues for many applications in the material, chemical, quantum mechanical and biological realms.

研究の動機と目的

• 量子系における光と物質の強い結合（SC）の理論的および実験的基盤を確立すること。
• SCが化学的構造の古典的変更なしに、集団的および分子レベルの性質—たとえば化学反応性や相転移—を変化させられることを実証すること。
• 真空ゆらぎが常温条件下で物質系に巨視的量子効果を引き起こすことを示すことで、量子光学、物質科学、化学を橋渡しすること。
• ポラリトンともつれが、量子レベルでの物質挙動制御に果たす役割を強調すること。
• 特に新規機能性材料の設計を目的として、SCを化学および材料科学研究分野における変容的ツールとして採用を促進すること。

提案手法

• 分子・原子の振動子とキャビティ光子の強い結合から生じるドレスド状態（ポラリトン）の形成を記述するハイブリダイゼーションモデルを用いる。
• 強い結合の主な実験的兆候としてラビ分裂を用い、励起スペクトルの変化を測定する。
• キャビティ内での量子化電磁場と物質（例：分子振動）とのもつれを記述するための量子力学的形式を適用する。
• プラズモニックおよびフォトニックナノ構造（例：金属-誘電体アレイ）を用いて、ナノスケールでの光の閉じ込めと光物質相互作用の強化を実現する。
• キャビティ量子電磁力学系における崩壊および結合ダイナミクスをシミュレートするための離散的フェルミ黄金則を適用する。
• 最近の研究からの数値シミュレーションおよび実験データを活用し、SC領域における非古典的効果の出現を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強い光物質結合は、化学的構造を変更せずに、化学反応性や相転移を制御できるか？
• RQ2 光学キャビティ内の真空中ゆらぎが、分子および物質系に巨視的量子効果をどれほど誘発できるか？
• RQ3 ポラリトニック状態の形成が、分子系のエネルギー状態およびダイナミクスにどのように影響を与えるか？
• RQ4 強い結合が、巨視的生物的実体（例：硫黄細菌）と量子化光場とのもつれを誘発できるか？
• RQ5 強い結合が、高温超伝導体やトポロジカル絶縁体を含む新規量子材料の設計にどのような意味を持つのか？

主な発見

• 強い結合は、基底状態を直接摂動させ、キャビティ内での結合振動子の割合を増加させることで、相転移の制御を可能にし、ラビ分裂が転移ダイナミクスを強化する。
• プラズモニックおよびフォトニック構造で実験的に約100 meVのラビ分裂が観測され、強い結合およびハイブリッド光物質状態の形成が確認された。
• 生存する硫黄細菌がキャビティ場ともつれ、ラビ分裂によって裏付けられ、常温条件下で巨視的量子コherenceが生物系に実現された。
• 光と物質の状態が結合したポラリトンは、減衰を伴わず、光成分と物質成分の間を振動し、長寿命な量子コherenceを実現する。
• 化学反応性、電導性、分光的性質は、古典的化学的修飾とは独立して、真空中の場の相互作用によって調整可能である。
• 強い結合の概念は、量子情報、非線形光学、物質化学を統合し、量子場工学による機能性材料の設計のための新しいパラダイムを提供する。