論文の概要: Collective dynamics Using Truncated Equations (CUT-E): simulating the
collective strong coupling regime with few-molecule models
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2209.04955v2
- Date: Tue, 11 Oct 2022 20:58:56 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2023-01-27 00:37:02.799984
- Title: Collective dynamics Using Truncated Equations (CUT-E): simulating the
collective strong coupling regime with few-molecule models
- Title（参考訳）: トランケート方程式(CUT-E)を用いた集団動力学 : 数分子モデルによる集合強結合状態のシミュレート
- Authors: Juan B. P\'erez-S\'anchez, Arghadip Koner, Nathaniel P. Stern, Joel
Yuen-Zhou
- Abstract要約: 我々は置換対称性を利用して、大きな$N$に対するtextitab-initio量子力学シミュレーションの計算コストを大幅に削減する。
我々は、$k$余剰有効分子を加えると、$mathcalO(N-k)$とスケールする現象を考慮に入れるのに十分であることを示した。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: The study of molecular polaritons beyond simple quantum emitter ensemble
models (e.g., Tavis-Cummings) is challenging due to the large dimensionality of
these systems (the number of molecular emitters is $N\approx 10^{6}-10^{10}$)
and the complex interplay of molecular electronic and nuclear degrees of
freedom. This complexity constraints existing models to either coarse-grain the
rich physics and chemistry of the molecular degrees of freedom or artificially
limit the description to a small number of molecules. In this work, we exploit
permutational symmetries to drastically reduce the computational cost of
\textit{ab-initio} quantum dynamics simulations for large $N$. Furthermore, we
discover an emergent hierarchy of timescales present in these systems, that
justifies the use of an \textit{effective} single molecule to approximately
capture the dynamics of the entire ensemble, an approximation that becomes
exact as $N\rightarrow \infty$. We also systematically derive finite $N$
corrections to the dynamics, and show that addition of $k$ extra effective
molecules is enough to account for phenomena whose rates scale as
$\mathcal{O}(N^{-k})$. Based on this result, we discuss how to seamlessly
modify existing single-molecule strong coupling models to describe the dynamics
of the corresponding ensemble, as well as the crucial differences in phenomena
predicted by each model. We call this approach Collective dynamics Using
Truncated Equations (CUT-E), benchmark it against well-known results of
polariton relaxation rates, and apply it to describe a universal
cavity-assisted energy funneling mechanism between different molecular species.
Beyond being a computationally efficient tool, this formalism provides an
intuitive picture for understanding the role of bright and dark states in
chemical reactivity, necessary to generate robust strategies for polariton
chemistry.
- Abstract（参考訳）: 単純な量子エミッタアンサンブルモデル(例:Tavis-Cummings)を超える分子偏光子の研究は、これらの系の大きな次元性(分子エミッタの数は$N\approx 10^{6}-10^{10}$)と、分子電子と核自由度の複雑な相互作用のために困難である。
この複雑さは、分子自由度のリッチ物理と化学の粗粒化、あるいは少数の分子への記述を人工的に制限する既存のモデルに制約を与える。
本研究では、置換対称性を利用して、大きな$N$の量子力学シミュレーションの計算コストを大幅に削減する。
さらに、これらのシステムに存在する時間スケールの創発的な階層を発見し、アンサンブル全体のダイナミクスをほぼ把握するために \textit{ effective} 単一分子の使用を正当化し、その近似は $n\rightarrow \infty$ となる。
また、系統的に有限$N$の補正を力学に導出し、$k$余剰有効分子の追加は$\mathcal{O}(N^{-k})$としてスケールする現象を考慮に入れるのに十分であることを示す。
この結果に基づいて,既存の単一分子強結合モデルをシームレスに修正して対応するアンサンブルの力学を記述する方法,および各モデルが予測する現象の重大な違いについて考察する。
このアプローチを断続方程式(cut-e)を用いて集団動力学と呼び、ポラリトン緩和率の既知の結果と比較し、異なる分子種間の普遍的なキャビティ支援エネルギー漏出機構を記述する。
計算効率のよいツールであるだけでなく、この形式主義は化学反応性における明るく暗い状態の役割を理解するための直感的な図を提供し、ポーラリトン化学の堅牢な戦略を生成するのに必要である。
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