論文の概要: Analytic Model Reveals Local Molecular Polarizability Changes Induced by Collective Strong Coupling in Optical Cavities

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2401.16374v2
• Date: Thu, 21 Nov 2024 12:52:46 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2024-11-22 15:15:48.929160
• Title: Analytic Model Reveals Local Molecular Polarizability Changes Induced by Collective Strong Coupling in Optical Cavities
• Title（参考訳）: 光キャビティにおける集束強結合による局所分子偏光性変化の解析モデル
• Authors: Jacob Horak, Dominik Sidler, Thomas Schnappinger, Wei-Ming Huang, Michael Ruggenthaler, Angel Rubio,
• Abstract要約: 振動強い結合下でのN$調和分子のアンサンブルからなるモデル系の非摂動解析結果を示す。 電子分子偏光度は, 単分子結合が消滅しても変化することが判明した。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.8642326601683299
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• Abstract: Despite recent numerical evidence, one of the fundamental theoretical mysteries of polaritonic chemistry is how and if collective strong coupling can induce local changes of the electronic structure to modify chemical properties. Here we present non-perturbative analytic results for a model system consisting of an ensemble of $N$ harmonic molecules under vibrational strong coupling (VSC) that alters our present understanding of this fundamental question. By applying the cavity Born-Oppenheimer partitioning on the Pauli-Fierz Hamiltonian in dipole approximation, the dressed many-molecule problem can be solved self-consistently and analytically in the dilute limit. We discover that the electronic molecular polarizabilities are modified even in the case of vanishingly small single-molecule couplings. Consequently, this non-perturbative local polarization mechanism persists even in the large-$N$ limit. In contrast, a perturbative calculation of the polarizabilities leads to a qualitatively erroneous scaling behavior with vanishing effects in the large-$N$ limit. Nevertheless, the exact (self-consistent) polarizabilities can be determined from single-molecule strong coupling simulations instead. Our fundamental theoretical observations demonstrate that hitherto existing collective-scaling arguments are insufficient for polaritonic chemistry and they pave the way for refined single- (or few-) molecule strong-coupling ab-initio simulations of chemical systems under collective strong coupling.
• Abstract（参考訳）: 最近の数値的な証拠にもかかわらず、偏光化学の基本的な理論的ミステリーの1つは、集合的な強い結合が電子構造の局所的な変化を誘導して化学的性質を変化させる方法である。 ここでは、振動強い結合(VSC)の下での$N$調和分子のアンサンブルからなるモデル系の非摂動解析結果について述べる。 双極子近似においてパウリ・フィエルツ・ハミルトニアンのキャビティ・オッペンハイマー分割を適用することにより、着飾った多分子問題は希薄極限において自己整合的に解析的に解ける。 電子分子偏光度は, 単分子結合が消滅しても変化することが判明した。 したがって、この非摂動的局所分極機構は、大きな$N$の極限でも持続する。 対照的に、偏光率の摂動計算は、大きな$N$の極限で消滅する効果を持つ定性的に誤ったスケーリング挙動をもたらす。 それでも、正確な(自己整合性)偏光性は、代わりに単分子強結合シミュレーションから決定することができる。 我々の基本的な理論的な観察は、既存の集団スケーリングの議論が偏光化学には不十分であることを示し、それらが集合的な強いカップリングの下での化学系の単分子(または少数分子)強結合性ab-イニシアトシミュレーションへの道を開いた。

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