[論文レビュー] Weak-to-Strong Light-Matter Coupling and Dissipative Dynamics from First Principles

Derek S. Wang, Tomáš Neuman+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 24, 2020

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 12

ひとこと要約

本論文は、時間に依存する密度汎関数理論とキャビティ量子電磁力学を組み合わせた第一原理ab initioフレームワークを提示し、弱いから強い結合の範囲にわたり散乱を伴う光-物質結合を記述する。この手法により、ベンゼンおよびトロリュエンにおけるキャビティ誘起エネルギー移動およびスペクトル応答の正確なシミュレーションが可能となり、現実的な損失条件下での電子状態と光子状態の結合から生じるファノ共鳴が明らかになった。

ABSTRACT

Cavity-mediated light-matter coupling can dramatically alter opto-electronic and physico-chemical properties of a molecule. Ab initio theoretical predictions of these systems need to combine non-perturbative, many-body electronic structure theory-based methods with cavity quantum electrodynamics and theories of open quantum systems. Here we generalize quantum-electrodynamical density functional theory to account for dissipative dynamics and describe coupled cavity-molecule interactions in the weak-to-strong-coupling regimes. Specifically, to establish this generalized technique, we study excited-state dynamics and spectral responses of benzene and toluene under weak-to-strong light-matter coupling. By tuning the coupling we achieve cavity-mediated energy transfer between electronic excited states. This generalized ab initio quantum-electrodynamical density functional theory treatment can be naturally extended to describe cavity-mediated interactions in arbitrary electromagnetic environments, accessing correlated light-matter observables and thereby closing the gap between electronic structure theory and quantum optics.

研究の動機と目的

• 電子構造理論と量子光学の間のギャップを埋めるために、キャビティ環境下での光-物質相互作用のab initioシミュレーションを可能にすること。
• 量子電磁力学的密度汎関数理論（QEDFT）を拡張し、散乱ダイナミクスおよびキャビティ損失を含め、開放系の取り扱いを可能にすること。
• 弱いから強い結合の全範囲にわたり、摂動論的でない相関のある光-物質相互作用を記述すること。
• 現実的な損失条件下で、ベンゼンやトロリュエンのような分子系におけるキャビティ媒介エネルギー移動およびスペクトル応答を予測すること。
• 損失のあるキャビティにおいて、弱く結合した電子状態の観測を可能にする高分解能スペクトル特徴（例：ファノ共鳴）の観察を可能にすること。

提案手法

• ファノ型ハミルトニアンを用いてエネルギー依存性を持つ連続的な光子モードを組み込むことで、QEDFTを散乱ダイナミクスを含むように一般化する。
• キャビティ損失を、光子バースのローレンツ型スペクトル関数でモデル化し、有限なキャビティ品質因数（Q）および損失率（κ）の現実的な記述を可能にする。
• 連続的な光子バースを一定エネルギー間隔ΔΩで離散化し、正準交換関係を保存する。
• 電子のダイナミクスを非局所ポテンシャルを用いた時間に依存するKohn-Sham TDDFTで記述し、電気双極子結合を通じて量子化されたキャビティ場と結合する。
• 実空間・擬ポテンシャルDFTコード（OCTOPUS）にこの形式を実装し、基底状態および励起状態計算にLDAおよび長距離補正LDA関数を用いる。
• 有限分解能および温度効果を模擬するためにスペクトル幅を広げ、弱く結合した状態からの狭いファノ共鳴の解像を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 第一原理的手法は、散乱ダイナミクスを考慮しつつ、弱いから強い結合の全範囲における光-物質結合をどのように記述できるか？
• RQ2 ベンゼンやトロリュエンのような分子において、第一原理からキャビティ媒介エネルギー移動が予測可能か？
• RQ3 小さな遷移双極子モーメントを有する弱く結合した電子状態は、損失のあるキャビティに結合した場合、スペクトル応答にどのような役割を果たすか？
• RQ4 スペクトル幅が、キャビティ結合分子の吸収スペクトルにおけるファノ共鳴の解像度にどのように影響するか？
• RQ5 一般化されたQEDFT形式は、現実的な電磁環境下で極小状態の出現およびその摂動論的でない性質を正確に記述できるか？

主な発見

• 一般化されたQEDFTフレームワークは、κ = 0.01 eVの損失のあるキャビティモデルを用いて、弱いから強い結合の範囲における光-物質結合を成功裏に記述した。
• ベンゼンおよびトロリュエンの電子励起状態間のキャビティ媒介エネルギー移動が、キャビティ光子へのコherent結合によって駆動されることを観測した。
• スペクトル幅をħΓ = 0.0002 eVにまで低減した場合、6.58 eVに位置するファノ共鳴が吸収スペクトルで解像され、弱く双極子活性な状態が光子モードと結合していることを示した。
• 非常に小さな遷移双極子モーメント（例：dx = 0.01 eÅ）を有する状態でさえ、高分解能条件下では顕著なスペクトル特徴（例えば、下部極小状態ピークのわずかな谷）を示した。
• スペクトル幅の低減が解像度を向上させ、6.58 eV状態のような追加の電子固有状態がスペクトルに観測可能になることを予測した。
• 形式的検証により、損失のあるキャビティ（g ~ κ）では、弱い結合と強い結合の境界が曖昧になり、非摂動的効果がダイナミクスを支配することが確認された。