[论文解读] Light-Matter Response Functions in Quantum-Electrodynamical Density-Functional Theory: Modifications of Spectra and of the Maxwell Equations

Johannes Flick, Davis M. Welakuh+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 8, 2018

Strong Light-Matter Interactions被引用 3

一句话总结

本文在量子电动力学密度泛函理论框架内发展了一套线性响应理论，用于从头计算耦合物质-光子系统的性质。通过将光子-物质响应重新表述为伪特征值问题，该理论实现了具有自然线宽的高效从头计算谱，消除了人为展宽，并揭示了强光-物质耦合区域中的新型响应函数和修正的麦克斯韦方程。

ABSTRACT

We introduce linear-response theory for non-relativistic quantum-electrodynamics in the long wavelength limit, which allows us to treat correlated excited-state phenomena of matter-photon systems from first principles. By using quantum-electrodynamical density-functional theory we can reformulate the resulting fully coupled photon-matter response equations as a pseudo-eigenvalue problem. This provides a direct extension of the conventional matter-only response theory. Our approach can be solved numerically very efficiently and existing ab-initio density-functional response implementations can be easily extended to take the full photon-matter response into account. We highlight how the coupling between light and matter changes the usual response functions and introduces new types of response functions that measure the matter-photon subsystem responses. We show how correlating light and matter changes the Maxwell equations and highlight how the spectra of real systems are changed upon strongly coupling to the photon field. A key feature of treating the combined matter-photon response is that natural lifetimes of excitations become directly accessible from first principles and no artificial broadening of spectra is required anymore. By introducing a straightforward extension of the random-phase approximation for the coupled matter-photon problem, we are able to present the first ab-initio spectra for a real molecular system that is coupled to the quantized electromagnetic field.

研究动机与目标

• 将传统的仅含物质的响应理论扩展至完全耦合的物质-光子系统。
• 解决从头计算量子电动力学系统中关联激发态现象的挑战。
• 通过直接获取激发态的自然寿命，消除人为的谱线展宽。
• 开发一种计算效率高的框架，与现有的从头计算密度泛函响应实现方式兼容。
• 揭示强光-物质耦合下产生的新型响应函数和修正的麦克斯韦方程。

提出的方法

• 在长波长极限下，为非相对论性量子电动力学建立线性响应理论。
• 利用量子电动力学密度泛函理论，将耦合光子-物质响应映射为伪特征值问题。
• 重新表述完整的光子-物质响应方程，以实现与现有从头计算响应代码的数值求解。
• 对耦合物质-光子系统提出随机相位近似的直接扩展。
• 推导包含关联物质与光子自由度贡献的修正麦克斯韦方程。
• 通过引入本征衰减率，实现自然线宽的直接计算，避免人为展宽。

实验结果

研究问题

• RQ1 线性响应理论如何被推广以从头计算描述物质-光子系统中的关联激发态现象？
• RQ2 在耦合物质-光子系统中，出现了哪些新型响应函数，它们与传统仅含物质的响应有何不同？
• RQ3 当物质与光子强耦合并具有关联性时，麦克斯韦方程如何被修正？
• RQ4 能否直接从头计算获得激发态的自然线宽，而无需人为展宽？
• RQ5 对于真实分子系统与量子化电磁场耦合，其首个从头计算谱是什么？

主要发现

• 耦合物质-光子响应被重新表述为伪特征值问题，使得在现有从头计算框架内实现高效数值求解成为可能。
• 识别出新型响应函数，用于量化在强光-物质耦合条件下系统对外部扰动的响应。
• 麦克斯韦方程被修正，以包含关联物质与光子自由度的贡献，反映了系统的纠缠本质。
• 从头计算可直接获取激发态的自然寿命，从而无需人为谱线展宽。
• 通过扩展的随机相位近似，计算出了真实分子系统与量子化电磁场耦合的首个从头计算谱。
• 该方法能够准确预测强光-物质耦合引起的修正谱，包括由关联动力学引起的能级位移与分裂。