Un equipo de investigadores de Italia, Noruega, y Alemania ha demostrado que las propiedades de las moléculas sufren cambios significativos al interactuar con campos electromagnéticos cuantificados en cavidades ópticas. Utilizando nuevas metodologías teóricas y simulaciones computacionales, El equipo reveló que la química del estado fundamental y excitado de las moléculas puede modificarse mediante un confinamiento en el espacio. Muestran cómo se puede controlar la transferencia de electrones dentro del sistema modulando la frecuencia del campo de la cavidad. Su metodología recientemente desarrollada podría tener un impacto profundo en muchas aplicaciones químicas y tecnológicas, como la fotovoltaica, fotoquímica, y dispositivos optoelectrónicos. El trabajo del equipo ahora se ha publicado en Revisión física X y resaltado adicionalmente en un punto de vista por la revista.

La óptica cuántica de cavidades se ocupa de las interacciones de fotones y moléculas dentro de una cavidad óptica, por ejemplo encerrado entre dos espejos poco espaciados. Las cavidades ópticas perfectas solo pueden soportar ciertas frecuencias de luz y mejoran la intensidad del campo electromagnético asociado. Esto provoca cambios profundos en el comportamiento de las moléculas que se colocan en una cavidad óptica. En esta situación, los fotones y las moléculas pueden acoplarse y formar nuevos estados híbridos conocidos como polaritones. En tono rimbombante, estos estados híbridos exhiben propiedades tanto de las moléculas como de los fotones. Esto significa que su comportamiento químico se puede manipular ópticamente, por ejemplo, ajustando la energía de los fotones y la geometría de la cavidad. Por tanto, las cavidades representan una palanca completamente nueva para controlar las propiedades moleculares.

Sin embargo, es necesario comprender mejor las propiedades de las moléculas en las cavidades. Si bien el modelado teórico en óptica cuántica ofrece una descripción detallada del campo electromagnético en la cavidad, proporcionan una descripción insuficiente de la molécula. Hasta aquí, el único método que trata electrones y fotones al mismo nivel de cuantificación es la teoría funcional de la densidad electrodinámica cuántica, que se limita a situaciones en las que los electrones y los fotones no están correlacionados.

Sin embargo, la correlación entre electrones y fotones es crucial para capturar cambios en las propiedades moleculares, incluso cualitativamente. "Estos efectos de correlación fueron nuestro enfoque, "dice Tor Haugland, Doctor. estudiante de la Universidad Noruega de Ciencia y Tecnología y autor principal del artículo. "La nuestra es la primera teoría ab initio que incorpora una fuerte correlación electrón-fotón explícitamente de una manera coherente y sistemáticamente mejorable".

Los investigadores ampliaron la teoría de cúmulos acoplados bien establecida para la estructura electrónica para incluir la electrodinámica cuántica. Usando este nuevo marco, demostraron que las superficies de energía potencial del estado fundamental son modificadas por la cavidad cerca de las interacciones cónicas.

"Este enfoque allana el camino para estrategias novedosas para controlar la química molecular, "dice el coautor Enrico Ronca, un ex investigador postdoctoral en el MPSD ahora basado en el Instituto de Procesos Físico-Químicos del Consejo Nacional de Investigación de Italia (IPCF-CNR). "Necesitamos métodos teóricos sólidos para comprender los procesos fundamentales que pueden ayudarnos a manipular átomos y moléculas con luz cuántica".

Los hallazgos del equipo podrían impulsar significativamente la comprensión actual de las vías de relajación y la fotoquímica de las moléculas.