[論文レビュー] Quantum physical states for describing photonic assisted chemical change: I. Torsional phenomenon at femtosecond time scale

O. Tapia|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2012

Quantum Information and Cryptography参考文献 2被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、光子補助Z/E異性化におけるフェムト秒スケールのねじれ緩和を記述するヒルベルト/フォック量子枠組みを提案する。単一光子励起ではこの過程を駆動できないが、二光子パルスを用いることで、振動緩和より速く、フランク・コンドン遷移より遅い超高速緩和が可能となり、光子状態と電子状態（セリウム・トリプレット）のもつれが中心的役割を果たすことが示された。

ABSTRACT

Femtosecond torsional relaxation processes experimentally detected and recently reported by Clark et al. (Nature Phys. 8,225 (2012)) are theoretically dissected with a Hilbert/Fock quantum physical (QP) framework incorporating entanglement of photon/matter base states overcoming standard semi-classic vibrational descriptions. The quantum analysis of a generic Z/E (cis/trans) isomerization in abstract QP terms shed light to fundamental roles played by photonic spin and excited electronic singlet coupled to triplet states. It is shown that one photon activation cannot elicit femtosecond phenomenon, while a two-photon pulse would do. Estimated time scales for the two-photon case indicate the process to lie between a slower than electronic Franck-Condon-like transition yet faster than (semi-classic) vibration relaxation ones.

研究の動機と目的

• フェムト秒スケールのねじれ緩和を、光子補助化学変化の量子力学的記述を提供すること。
• 超高速異性化ダイナミクスを説明できない半古典的振動モデルの限界を克服すること。
• 超高速緩和における光子スピンと電子状態のもつれ（セリウム・トリプレット結合）の役割を調査すること。
• 観測されたフェムト秒スケールのねじれ過程を駆動できるのは単一光子励起か二光子励起かを特定すること。
• 実験的観察とフェムト秒スケールの量子力学的ダイナミクスを調和させる量子物理的枠組みを確立すること。

提案手法

• 光子-物質系の結合系を記述するため、ヒルベルト/フォック量子物理的枠組みを採用する。
• 量子形式主義に、光子状態と電子状態（S1およびT1）のもつれを組み込む。
• 異性化過程を、光子励起下でのZ配置とE配置との間の遷移としてモデル化する。
• 量子状態の時間発展を用いて、緩和の時間スケールを単一光子励起と二光子励起で比較分析する。
• フランク・コンドン近似を超える、時間に依存する系の振る舞いを導出するために、量子力学的原則を適用する。
• 抽象的な量子物理的用語を用いて、光子スピンと電子結合の根本的役割を分離して評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単一光子励起は、Z/E異性化における観測されたフェムト秒スケールのねじれ緩和を説明できるか？
• RQ2 光子スピンと電子状態のもつれ（セリウム・トリプレット結合）は、超高速異性化にどのような役割を果たすか？
• RQ3 二光子励起の時間スケールは、電子的フランク・コンドン遷移と振動緩和プロセスと比べてどうなるか？
• RQ4 フェムト秒スケールでの光子補助化学変化を最もよく記述する量子物理的枠組みは何か？
• RQ5 なぜ、超高速ねじれ緩和の実験的観察は、標準的な半古典的振動モデルでは説明できないのか？

主な発見

• 単一光子励起では、観測されたフェムト秒スケールのねじれ緩和過程を引き起こせない。
• 二光子励起により、半古典的振動緩和より速いが、電子的フランク・コンドン遷移より遅い緩和経路が可能になる。
• 光子状態と電子的セリウム・トリプレット状態のもつれが、超高速ダイナミクスを可能にする根本的役割を果たす。
• 提案されたヒルベルト/フォック量子枠組みは、半古典的モデルの範囲を超えて、実験的観察をうまく記述している。
• 二光子過程の時間スケールは、電子的緩和時間と振動緩和時間の中間領域に位置する。
• 光子スピンは、超高速異性化を媒介する主要な量子自由度であると特定された。