Vibrational Dressing of Collective Molecular Polaritons: A Scalable Green's-Function Theory
University of Pennsylvania（宾夕法尼亚大学）；Tel Aviv University（特拉维夫大学）
该研究在Holstein-Tavis-Cummings模型中发展了一种可扩展的格林函数理论，结合自洽玻恩近似处理集体分子极化激元的振动修饰，可高效描述大系综分子的极化激元吸收，其结果与基准方法吻合良好，无需引入拟合线宽。
2026-10-16 physics.chem-ph
Semiclassical Real-Time Nuclear-Electronic Orbital Dynamics for Molecular Polaritons: Unified Theory of Electronic and Vibrational Strong Couplings
分子极化激元已经成为一个新兴的平台，远程控制分子的性质，通过强大的光-物质相互作用。在这里，一个半经典的方法来描述分子极化激元的自洽传播的实时动力学的经典腔模式和量子分子子系统所描述的核电子轨道（NEO）的方法，其中电子和指定的核被处理在同一水平上的量子力学。这种半经典实时近地天体方法提供了对电子和振动强耦合的统一描述，并描述了空腔对核-电子耦合动力学的影响，同时包括核量子效应。对于单个邻羟基苯甲醛分子在电子强耦合作用下，该方法表明激发态分子内质子转移的空穴抑制不仅受极化激子势能面的影响，而且受化学反应时间尺度的影响.这一工作为探索光腔中核电子量子动力学系统的集体强耦合提供了基础。
2022-03-09 physics.chem-ph
QM/MM Modeling of Vibrational Polariton Induced Energy Transfer and Chemical Dynamics
振动强耦合（VSC）提供了一种新的手段来修改化学反应和能量传递途径。为了有效地模拟集体机制下的VSC化学动力学，本文提出了一种混合量子力学/分子力学（QM/MM）腔分子动力学（CavMD）方案，并将其应用于实验研究的化学体系。这种方法可以实现线性缩放相对于在VSC下的稀溶液的分子数，通过假设每个QM溶质分子被包围由一个独立的MM溶剂浴。将该方法应用于Fe（CO）$_5$在正十二烷中的稀溶液中，证明了极化激元退相到暗模和极化激元增强的分子非线性吸收。这些模拟预测，强烈激发下极化激元可以提供一个能量转移途径，选择性地激发赤道CO振动，而不是轴向CO振动。此外，这些模拟还直接探测Fe（CO）$_5$ Berry伪旋转反应的动力学上的腔效应，以比较最近的二维红外光谱实验。这种理论方法适用于广泛的其他极化激元系统，并提供了一个工具，探索使用VSC的选择性红外光化学。
2022-12-27 physics.chem-ph
Nonlinear Freezing of Vibrational Polariton Transport via Mesoscale Simulations
University of Delaware（特拉华大学）
通过介观腔分子动力学模拟，发现强泵浦下上极化激元从弹道传播转变为完全冻结，能量局域于特定位置，源于泵浦破坏面内平移对称性导致极化激元态密度展宽。
2026-09-10 physics.chem-ph physics.comp-ph
Theory for Nonlinear Spectroscopy of Vibrational Polaritons
分子极化激元因其利用电磁相干性控制纳米尺度分子过程的潜力而受到广泛关注。虽然最近的实验与液相振动极化激元已经显示出很大的希望，利用这些影响，重大的挑战仍然存在于解释其光谱特征。本文基于量子朗之万方程和输入输出理论，建立了这类极化激元的泵浦-探测光谱的量子力学理论。与最近的实验数据的比较显示出良好的协议后，考虑各种振动的非谐性调制的信号。最后，一个简单而直观的解释的数据的基础上提供了一个有效的模式耦合理论。我们的工作为阐明分子极化激元的非线性光学性质以及进一步分析这些系统的多维光谱实验提供了坚实的理论框架。
2017-11-30 physics.chem-ph quant-ph
Two-dimensional IR-Raman spectroscopy of vibrational polaritons: Role of dipole surfaces
University of Delaware（特拉华大学）；University of Würzburg（维尔茨堡大学）
本文通过CavMD模拟研究了振动强耦合下液态水的二维红外-拉曼光谱，强调一致的偶极子表面模型对谱线分裂和极子分支形成的重要性。
2026-03-25 physics.chem-ph
Revealing Hidden Vibration Polariton Interactions by 2D IR Spectroscopy
我们首次报道了新型分子光子激发振动极化激元的二维红外光谱。先进的二维红外光谱应用到新的振动极化激元的挑战和进步，我们在这两个领域的理解。从光谱学的角度来看，极化激元的二维红外光谱与自由非耦合分子有很大的不同;从振动极化激元的角度来看，二维红外光谱以一种状态选择的方式独特地分辨了混合光-物质极化激元激发和意外的暗态，揭示了它们之间隐藏的相互作用。此外，2D IR信号突出了振动非谐性在产生非线性信号中的作用。为了进一步推进我们的知识振动极化激元的2D IR，我们开发了一个新的量子力学模型，将核和电的非谐振动极化激元和他们的2D IR信号的影响。这一工作揭示了传统线性光谱难以或不可能探测到的极化激元物理，为研究分子振动极化激元的新的非线性光学和化学奠定了基础。
2017-11-30 cond-mat.mes-hall physics.chem-ph quant-ph
Polariton relaxation under vibrational strong coupling: Comparing cavity molecular dynamics simulations against Fermi's golden rule rate
在振动强耦合（VSC）作用下，分子极化激元的形成可以显著改变分子的光致或热性质。为了理解这些有趣的变化，实验和理论研究都集中在振动极化激元的超快动力学上。在这里，根据我们最近的工作[J. Chem. Phys.，154，094124，（2021）]，我们系统地研究了弱外泵浦下液态CO2的极化激元弛豫机制。经典腔分子动力学（CavMD）模拟表明，极化激元弛豫的结果从（i）通过光子组件的腔损耗和（ii）由分子间相互作用介导的明模分量的振动暗模的退相的综合效应。后一种极化激元退相速率与极化激元波函数中亮模的权重和极化激元与暗模之间的光谱重叠的乘积成比例。这两个因素是敏感的参数，如拉比分裂和腔模失谐。相比紧束缚谐波模型的基础上的费米的黄金法则计算，CavMD产生类似的参数依赖的上极化激元弛豫寿命，但有时适度的分歧，为下极化激元。我们认为，这种分歧的结果极化激元增强的分子非线性吸收由于分子的非谐性，这是不包括在我们的分析模型。我们还总结了最近的进展探测非反应VSC动力学与CavMD。
2022-03-25 cond-mat.mes-hall physics.chem-ph
Local fluctuations of vibrational polaritons monitored by two-dimensional infrared spectroscopy
我们研究了置于红外微腔中的分子的集体行为，包括局部涨落，即，动力学紊乱由于分子间的相干性，振动极化激元中的合作特征被动态地侵蚀。为了进一步解决这个问题，我们发展了一种二维红外光谱（2D-IR）技术来研究分子与腔模的相互作用。指定对应于光谱信号的合作特征。结果表明，除了极化激元的交叉峰外，暗态的出现是由于分子间协同效应的破坏。我们进一步指出，协同性的破坏与振动激发的局域化密切相关，而极化激元模是多个分子上的扩展波。此外，我们的工作为理解最近的2D-IR实验提供了新的物理见解，其中暗模和亮极化激元之间的相互作用是明显的。
2018-06-17 physics.chem-ph quant-ph
Mesoscale Molecular Simulations of Fabry-Pérot Vibrational Strong Coupling
本文提出广义CavMD方法模拟真实分子系综与多维光子环境的VSC，验证均匀极限下的极化激元色散，并揭示非平衡动力学中单模近似的失效。
2024-06-15 physics.chem-ph
Simulating anharmonic vibrational polaritons beyond the long wavelength approximation
本研究针对长波近似之外的非简谐振动极化激元，提出局域腔辐射模与局域振动耦合的简洁理论框架，结合自洽声子与振动动力学平均场理论高效模拟其动量分辨谱，经数值验证具备准确性与适用性。
2024-09-12 cond-mat.other physics.chem-ph quant-ph
Dissecting Exciton-Polariton Transport in Organic Molecular Crystals: Emerging Conductivity Assisted by Intermolecular Vibrational Coupling
University of Notre Dame（圣母大学）
本研究通过分子间振动耦合增强激子极子传输，揭示了光子介导电流对导电性和载流子迁移率的促进作用。
2025-05-28 cond-mat.mes-hall physics.chem-ph
Multi-level quantum Rabi model for anharmonic vibrational polaritons
我们提出了一个腔QED方法来描述单个非简谐分子振动与红外腔场之间的光-物质相互作用。从原子核运动量子化的一般Morse振子出发，我们导出了一个多能级量子Rabi模型，用于研究超越行波近似的振动极化激元。我们详细地分析了振动极化激元的谱，并与已有的实验进行了比较。对于高的激发能，光谱表现出一个密集的流形的真实和避免的能级交叉的光-物质耦合强度和腔频率进行调谐。这些交叉由腔场施加的伪奇偶选择规则支配。我们还分析了核坐标空间中的极化激元本征态。我们证明了在给定能量下振动极化激元的键长永远不会大于具有相同能量的裸Morse振子的键长。这种类型的振动极化激元的键硬化是以虚拟红外腔光子的产生为代价的，并且可能对化学反应性有影响。
2019-06-11 cond-mat.mes-hall physics.chem-ph quant-ph
Effects of Electron-Vibrational Interaction in Polariton Luminescence: Non-Markovian Fano Resonances and Hot Luminescence
我们发展了一个考虑分子振动的极化激元发光的非马尔可夫理论。计算是在极化激元基础上进行的。我们已经表明，频移和极化激元谱线展宽强烈依赖于频率依赖的激子对极化激元的贡献。在单模微腔中，我们的非马尔可夫理论预测了极化激元发光中的Fano共振，并且在低频振动的分子内性质的情况下，谱线随着分子总数的增加而变窄。该理论使我们能够考虑类似于分子和晶体的热发光的非平衡（热）激子-极化激元发光。这为在有机纳米器件中观察它开辟了一条道路。
2022-04-17 cond-mat.mes-hall physics.chem-ph
How Quantum is the Resonance Behavior in Vibrational Polariton Chemistry?
本研究通过对比精确量子动力学与环聚合物分子动力学（RPMD）模拟，发现RPMD无法重现振动极化子化学中的尖锐共振特征，揭示了该现象的高度量子本质，对未来理论研究具有指导意义。
2023-05-12 physics.chem-ph quant-ph
Vibrational Strong Coupling of Ro-Vibrational States of Gaseous N2O Molecules
本文通过室温下气态N2O分子的振动强耦合形成振动-极化激元态，利用转动-振动光谱特征和三耦合振子模型揭示了P、R支混合产生三个极化激元支及玻尔兹曼分布改变的机制，为理解极化激元化学中的速率调控提供了新途径。
2024-01-11 physics.atm-clus physics.chem-ph
Coherent state switching using vibrational polaritons in an asymmetric double-well potential
本文以非对称双势阱为模型，研究了振动极化态的量子动力学，提出两种利用避免交叉实现极化态在双势阱间相干切换的方案，并分析了偶极振幅与势阱非对称性的影响。
2024-01-10 physics.chem-ph quant-ph
Disentangling collective coupling in vibrational polaritons with double quantum coherence spectroscopy
针对振动极化激元中分子系综相互作用机制不明的问题，研究者结合腔玻恩-奥本海默哈特里-福克近似与全量子动力学模拟，用双量子相干技术解析其集体耦合，可探测态非简谐性并拓展至单分子外的情形。
2024-10-01 physics.chem-ph quant-ph
Microscopic Theory of Vibrational Polariton Chemistry
提出一种微观理论，通过腔模促进反应物基态到振动激发态的跃迁，解释振动强耦合下的反应速率修正、共振效应及集体效应，并给出可验证预测。
2023-05-13 physics.chem-ph physics.optics quant-ph
Collective vibrational strong coupling effects on molecular vibrational relaxation and energy transfer: Numerical insights via cavity molecular dynamics simulations
经典腔分子动力学模拟表明，对于一小部分热CO2分子，在CO2分子的C=O非对称伸缩和腔模之间形成的集体振动强耦合（VSC）加速了热分子的弛豫.这种加速的物理机制是极化激元，特别是低极化激元，在非平衡过程中可以瞬时激发，这有利于分子间的振动能量转移。VSC对这些速率的影响（i）共振地依赖于腔模失谐，（ii）协同地依赖于分子浓度或拉比分裂，以及（iii）共同地与热分子的数量成比例，这类似于Dicke的超辐射。对于较大的腔体体积，由于这种超辐射样行为和较小的轻物质耦合之间的平衡，总VSC对弛豫速率的影响可以比$1/N$更慢地缩放，并且每个分子的平均VSC效应可以对形成VSC的多达$N \sim10^4$分子保持有意义。此外，我们发现，瞬态激发的低极化激元更倾向于通过将其能量转移到分子能量分布的尾部而不是将其平均分配给所有热分子来弛豫。最后，我们强调的参数依赖性之间的相似性，目前的发现与VSC催化中观察到的法布里-珀罗微腔。
2021-03-11 physics.chem-ph
Isolating Polaritonic 2D-IR Transmission Spectra
共振光学微腔内分子振动跃迁之间的强耦合导致集体离域振动极化激元的形成。极化激元化学有许多潜在的应用，从改变化学反应性到量子信息处理。获得极化激元响应的一个挑战是去除由于产生普通2D-IR光谱的未耦合分子引起的背景贡献，所述普通2D-IR光谱的振幅被极化激元透射光谱过滤。我们发现，振动极化激元的2D-IR光谱中的大多数功能可以解释由这个背景信号和真正的极化激元响应的线性叠加。通过一个简单的校正程序，其中过滤裸分子2D-IR光谱从测量的腔响应中减去，我们恢复极化激元光谱。
2021-11-03 physics.chem-ph quant-ph
A roadmap toward the theory of vibrational polariton chemistry
振动极化激元化学领域在2016年牢固确立，当时室温下的化学反应速率在共振调谐红外腔中进行了修改，而无需外部驱动系统。尽管全世界的科学家都在努力了解为什么反应速率会发生变化，但还没有令人信服的理论解释。在这个角度来看，首先，我们简要地回顾了这个开创性的实验，以及相关的实验，因为随后已经暗示了反应物浓度，腔频率和对称性的作用。然后，我们分析了领先的理论，如量子电动力学修改的跃迁速率理论，光子溶剂笼效应，从暗态耗散的影响，通过分子内振动能量重新分配键加强，和集体增强局部分子性质的相关性。最后，我们通过建议实验来测试理论和理论家的新途径，构建了振动极化子化学理论的路线图。我们认为，理解强耦合机制的重要性，设计实验来捕捉反应途径的变化，并进一步发展腔修饰的分子内振动能量重新分布和集体增强局部分子性质的理论是至关重要的下一步。我们希望这一观点将是一个宝贵的资源，指导研究领域的振动极化激元化学。
2021-07-09 physics.chem-ph physics.optics quant-ph
Theory of Supervibronic Transitions via Casimir Polaritons
该理论提出红外腔中振动强耦合下，基于动态卡西米尔效应产生光子并借振动极化激元实现电子到振动的远程能量转移，其幅度与分子数平方成正比，可被常规装置观测。
2024-03-17 physics.chem-ph physics.optics quant-ph
On-the-Fly Cavity-Molecular Dynamics of Vibrational Polaritons
Department of Chemistry, Texas A\&M University, College Station, Texas 77843, USA
本文结合DFTB方法与超越长波近似光物质哈密顿量，提出实时传播方案计算光腔内振动极子动力学，证明Mulliken电荷可替代Born电荷并准确预测线谱，但不适用于研究光腔能量传输或化学动力学。
2025-12-02 cond-mat.mes-hall physics.chem-ph
The Shape of the Electric Dipole Function Determines the Sub-Picosecond Dynamics of Anharmonic Vibrational Polaritons
我们发展了一个完全量子力学的方法来描述一个单一的非简谐振动模式与量子化的红外腔场在强和超强耦合制度的相互作用的静态性质和动力学。通过比较腔中Morse振子的多组态含时Hartree（MCTDH）模拟，与Hilbert空间中问题的等效公式，我们首次描述了永久偶极矩在振动极化激元波包的飞秒动力学中的重要作用。我们表明，根据沿振动模式坐标$q$的电偶极函数$d_e(q)$的形状，分子可以分为三个一般的家庭。对于分子的极性和具有正斜率的偶极函数在平衡，我们表明，初始非绝热光物质产品状态没有振动或腔激发可以演变成一个极化子波包与大量的腔内光子，在超强耦合的发病相互作用强度。这种腔内光子振幅的建立伴随着接近$10\%$的振动模式的有效$lengthening$，与自由空间中的激光诱导振动激发相当。相比之下，在平衡时也是极性的但具有偶极函数的负斜率的分子在等效耦合条件下经历有效模式$shortening$。我们的模型预测进行了数值验证，使用现实的$ab$ - $initio$潜力和HF和CO $_2$分子在其基态的偶极函数。最后，我们提出了一个非绝热态制备方案，利用纳米红外天线和紫外可见光化学或电子隧穿产生振动极化激元，使远场检测自发产生的红外量子光。
2020-03-17 physics.atom-ph physics.chem-ph quant-ph
Resonant catalysis of thermally-activated chemical reactions via vibrational polaritons
在系综振动强耦合（VSC）的制度，一个宏观数$N$的分子跃迁耦合到每个谐振腔模式，产生两个混合轻物质（极化激元）模式，和一个水库的$N-1$暗态的化学动力学基本上是那些裸露的分子。这一事实似乎与最近报道的VSC下热激活基态电子态反应的修改相反。在这里，我们提供了一个VSC Marcus-Levich-Jortner电子转移模型，可能解决这个悖论：虽然熵有利于通过暗态通道的过境，化学动力学可以由几个极化激元通道较小的活化能。催化VSC的效果是最大的轻物质共振，与实验观察。
2019-08-30 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Energy-efficient pathway for selectively exciting solute molecules to high vibrational states via solvent vibration-polariton pumping
选择性激发目标分子到高振动态在液相中是低效的，这限制了红外泵浦用于催化基态化学反应。在这里，我们证明，这种低效率有时可以解决限制振动强耦合条件下的液体的光腔。对于13 CO2溶质在12 CO2溶剂中的液体溶液，腔分子动力学模拟表明，在适当的共振条件下，用强激光脉冲激发溶剂的极化子（混合光-物质态）可能导致溶质的非常强（> 3量子）和超快（< 1 ps）的激发，即使溶剂最终几乎没有被激发。相比之下，在腔外，相同的输入脉冲能量密度可以激发溶质只有一半的振动量子和激发的选择性低。我们的发现是强大的，在不同的腔体积下，这可能会导致可观察到的腔增强的法布里-珀罗腔中的IR光化学反应。
2022-06-23 cond-mat.mes-hall physics.chem-ph physics.optics
Cavity molecular dynamics simulations of vibrational polariton enhanced molecular nonlinear absorption
最近的实验已经观察到，在集体振动强耦合（VSC）条件下，分子的化学和物理性质可以在光学法布里-珀罗微腔内被修改，并且这种修改目前还没有被理论很好地理解。为了理解这种腔诱导现象的起源，最近的一些研究集中在腔环境对分子子系统的非线性光学响应的影响上。在这里，我们使用最近提出的协议，经典腔分子动力学（CavMD）模拟数值研究的线性和非线性响应的液体二氧化碳在这样的VSC条件下的光脉冲激发。我们发现，施加一个强脉冲的激发低混合轻物质状态，即，较低的极化激元（LP）可导致整体分子非线性吸收，其相对于腔外部的激发增强高达两个数量级。这种极化激元增强的多光子吸收也会导致超短LP寿命（0.2 ps）在强照明下。与通常的极化激元弛豫过程不同--极化激元能量直接转移到单激发振动暗态的流形上--在本机制下，LP将能量直接转移到更高振动激发暗态的流形上;这些高激发暗态随后弛豫到单激发态的流形上，寿命为几十ps。由于目前的机制是通用的性质，我们希望这些数值预测实验观察到不同的分子系统和不同体积的空腔。
2021-02-09 cond-mat.mes-hall physics.chem-ph physics.optics
Understanding the Energy Gap Law under Vibrational Strong Coupling
本文研究振动强耦合对分子非辐射衰减能隙定律的影响，发现常规条件下定律不变，但深度强耦合、大失谐或极化激元凝聚可改变该行为。
2023-01-05 physics.chem-ph quant-ph
Theory of Vibrational Polariton Chemistry in the Collective Coupling Regime
我们从理论上证明了化学反应速率常数可以通过耦合分子振动与光腔来显著抑制，表现出集体耦合效应和速率常数的腔频修正。当反应坐标与溶剂分子强耦合时，由于动力学笼效应，反应速率常数减小。我们证明，集体耦合的溶剂的腔可以进一步增强这种动态笼效应，导致额外的抑制的化学动力学。当考虑腔损耗时，这种效应被进一步放大。
2021-07-09 cond-mat.other physics.chem-ph physics.optics
Cooperative molecular structure in polaritonic and dark states
本研究针对量子光中全同分子集合的光-物质杂化态问题，明确了均匀情形下极化激元能量曲线的物理意义，推导了偏离均匀情形的能量计算方法，分析了暗态行为，并将结论拓展至多自由度复杂分子体系。
2021-12-21 physics.chem-ph
Cavity-induced Non-Adiabatic Dynamics and Spectroscopy of Molecular Rovibrational Polaritons studied by Multi-Mode Quantum Models
本文从理论上研究了在由一个单振双原子分子组成的模型系统中形成的振转极化激元的量子动力学和光谱学，该模型系统与光学法布里-珀罗腔的两个简并正交偏振模相互作用。我们采用了一个有效的转振Pauli-Fierz哈密顿长度规范表示和识别三个国家的振动极化激元锥形交叉点（VPCI）之间的单激发振动极化激元状态在二维角坐标分支空间。上下振动极化激元具有混合光-物质杂化特性，而中间态则具有纯光子性质。VPCI为单激发振动极化激元之间的布居转移提供了有效的通道，在转动密度中表现出丰富的干涉图样。在光谱上，当外加红外激光场同时耦合到分子模和腔模时，发现了三个明亮的单激发态。非平凡的VPCI拓扑表现为显着的多峰进展中的光谱区域的上振动极化激元，这可以追溯到出现的光振动极化激元光物质混合态。实验上普遍存在的腔模自发发射引起强度耗散降低和峰展宽，主要影响纯光子中间态峰以及振子-极化激元过程。
2022-06-30 physics.chem-ph physics.optics
Ultrafast modulation of vibrational polaritons for controlling the quantum field statistics at mid-infrared frequencies
控制受限光的量子场统计是集成光子学的一个长期目标。我们表明，通过耦合分子振动与一个封闭的中红外腔真空，光计数和正交场统计的腔场可以可逆地操纵超过亚皮秒的时间尺度。该机制涉及通过使用飞秒UV脉冲调制腔体材料的介电响应来改变腔体谐振频率。对于在超强耦合条件下的红外腔中的单个非简谐分子振动，腔频率的脉冲调制可以动态地产生中红外线，其同时是亚泊松和正交压缩的，这取决于振动模式的偶极行为。对于强耦合的振动腔系统，当系统初始处于较低的极化激元态时，在频率调制脉冲结束后，可以产生非绝热极化激元激发。通过分析分子电偶极函数的形状、调制峰处的腔失谐量和Morse势的非谐性对腔场统计的影响，提出了产生中红外量子光的设计原则.可行的实验实现的调制方案的建议。该工作为室温下分子基中红外量子光学器件的研制奠定了基础。
2021-11-12 physics.chem-ph quant-ph
Molecular Polarizability under Vibrational Strong Coupling
本研究基于腔 Born-Oppenheimer Hartree-Fock 与线性响应理论推导强耦合分子静态极化率，揭示集体振动强耦合引起的单分子局部性质变化，并统一比较其对红外与拉曼光谱的影响。
2025-03-21 physics.chem-ph
Quantum Dynamics of Vibrational Polariton Chemistry
本文采用精确量子力学模拟技术研究凝聚相中腔修饰化学反应，发现分子与光学腔耦合时必须进行量子处理才能准确定量描述反应性改变，且模拟出的速率常数变化比以往计算更接近实验结果，凸显了全量子处理的重要性。
2022-10-11 cond-mat.other physics.chem-ph quant-ph
Stochastic resonance in vibrational polariton chemistry
本研究采用双空间运动层次方程结合树张量网络态求解器，发现振动强耦合下腔修饰化学反应存在随机共振，且速率增强效应与腔阻尼程度、耦合分子数相关。
2025-01-17 physics.chem-ph physics.optics quant-ph
Multimode Vibrational Strong Coupling of Methyl Salicylate to a Fabry-Perot Microcavity
红外活性分子跃迁与腔的光学模式的强耦合导致振动极化激元，这开辟了通过腔的受限电磁场控制化学反应的新途径。在这项研究中，我们设计了一个电压可调的开放微腔，我们显示了水杨酸甲酯的多重振动极化激元的形成。当腔模与水杨酸甲酯的C=O伸缩振动杂交时，观察到拉比分裂和极化激元反交叉行为。由于这种振动有助于水杨酸甲酯的光诱导质子转移过程的反应坐标，我们建议耦合可能被用来调制分子的电子物理性质。此外，所提出的理论模型的基础上耦合谐振子揭示了非耦合分子的吸收也必须考虑到适当的模拟实验光谱和多个分子振动的同时耦合到同一腔模式的拉比分裂有显着的影响。
2020-01-29 physics.chem-ph physics.optics
Towards Accurate Mixed Quantum Classical Simulations of Vibrational Polaritonic Chemistry
本文提出将面跳跃映射方法（MASH）与量子腔模式结合，并引入ε-MASH解决尺寸不一致性问题，以实现振动极化子化学中可扩展且精确的混合量子经典模拟。
2025-02-06 cond-mat.other physics.chem-ph quant-ph
Driving chemical reactions with polariton condensates
当分子跃迁强烈耦合到光子模式时，它们形成称为极化激元的混合光-物质模式。集体振动强耦合是控制化学的一个有前途的途径，但这可能会被大量的准简并暗模所阻止。如在玻色-爱因斯坦凝聚中观察到的，激发对单个极化子模式的宏观占据为克服这个问题提供了希望。本文从理论上研究了振动极化激元凝聚对电子转移过程动力学的影响。与用红外激光源激发相比，冷凝物显著地改变了反应产率，这是由于在较低极化激元中大量积累能量导致的具有降低的活化势垒的额外通道，以及在反应期间可用于能量再分布的许多模式。我们的研究结果提供了诱人的机会，使用凝聚物驱动化学反应，动力学绕过通常的约束，快速分子内的凝聚相振动再分配。
2022-03-29 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.quant-gas
Cavity molecular dynamics simulations of liquid water under vibrational ultrastrong coupling
我们用经典的分子动力学模拟模拟了液态水的强振动耦合（VSC）和超强耦合（V-USC）。当腔模与液态水的O-H伸缩模共振耦合时，红外光谱出现不对称拉比分裂。根据腔模式的频率，下极化激元（LP）可以相对于上极化激元（UP）被抑制或增强。此外，尽管在垂直超临界和垂直超临界下水分子的静态性质和平移扩散没有发生变化，但我们发现H $_2$ O分子的取向自相关函数发生了变化，特别是在垂直超临界下，这可能在基态化学中发挥作用.
2020-06-10 physics.chem-ph physics.optics
Ab initio linear-response approach to vibro-polaritons in the cavity Born-Oppenheimer approximation
近年来，在强光-物质耦合的研究方面取得了重大进展，包括通过改变分子的振动模式来控制化学反应。在振动强耦合区，系统的简正模成为混合核、电子和光子自由度的混合模。第一原理方法能够在同一理论水平上处理光和物质的自由度是理解这种系统的重要工具。本文基于腔Born-Oppenheimer近似和量子电动力学密度泛函理论，发展了一种广义力常数矩阵方法，并将其应用于分子振动-光子（振动-极化激元）混合态的研究.用这种方法，振动极化激元模式和红外光谱可以计算通过线性响应技术类似于那些广泛用于传统的振动和声子。我们还开发了一个精确的模型，突出了腔耦合电子的振动强耦合制度的一致治疗。这些电子效应是以前被简单模型所忽略的新项。这种有效的模型也允许一个准确的外推单分子和两个分子的计算，以集体强耦合极限的数百个分子。我们基准这些方法的单个和多个CO $_2$分子耦合到一个单光子模式和五羰基铁Fe（CO）$_5$分子耦合到几个光子模式。我们的结果是第一个集体振动强耦合效应的从头算结果。这种有效计算振动极化激元的框架铺平了道路，以系统的描述和提高理解的化学系统的振动强耦合的行为。
2021-08-26 physics.chem-ph physics.optics quant-ph
Vibrational strong coupling in liquid water from cavity molecular dynamics
本文评估了腔分子动力学方法在计算液态水振动极化激元谱中的有效性，发现核量子效应仅引起频率红移，并提出一种仅需无腔光谱和腔几何结构的谐振模型，其结果与实验一致，表明该方法不比传输矩阵法提供更多洞见。
2023-05-04 physics.chem-ph quant-ph
Selective excitation of molecular vibrations via a two-mode cavity Raman scheme
本文提出双腔拉曼方案，利用电子强耦合和STIRAP过程，在基态中高效选择性激发分子振动态，为控制化学反应提供新途径。
2025-09-09 physics.chem-ph
Cavity-modified unimolecular dissociation reactions via intramolecular vibrational energy redistribution
虽然新兴的振动极化激元化学领域有可能克服合成化学的传统局限性，但其基本机制尚未得到很好的理解。在这里，我们将探讨如何在红外光学腔中修改由分子内振动能量再分布（IVR）限制速率的单分子解离反应的动力学。我们研究了一个弯曲三原子分子的经典模型，其中两个外原子通过非简谐Morse势与中心原子耦合到一个简谐弯曲模。我们表明，共振耦合到特定的非谐振动模式的光腔可以干扰IVR和改变单分子解离反应速率时，腔模式作为一个水库的振动能量。我们发现一个强烈的依赖于腔和分子的初始状态。特别地，当腔最初是空的时，解离速率降低，而当腔最初比分子热时，腔反而可以加速反应速率。这些结果奠定了基础，进一步的理论工作，以了解有趣的实验结果的振动极化激元化学的背景下，IVR。
2021-11-15 nlin.CD physics.chem-ph quant-ph
Polaritonic normal modes in Transition State Theory
一系列的实验表明，在各向同性的解决方案的分子和共振红外光学微腔模式的振动激发之间的强烈的光-物质耦合导致修改的热激活动力学。然而，Feist及其同事[ \emph{Phys. Rev. X.}，\textbf{9}，021057（2019）]最近证明，在过渡态理论中，与反应模式耦合的强轻物质效应是静电的，基本上与轻物质共振无关，甚至与振动极化激元的形成无关。为了更详细地分析这个令人困惑的理论结果，我们重新审视它在一个新的光，调用正常模式分析的过渡态和反应物的配置为一个任意数量的分子在一个腔中的合奏，获得简单的分析表达式，产生类似的结论Feist。虽然这些效应在光学微腔中变得相关，如果分子偶极子是各向异性对齐的，或者在具有极端限制的光子模式的腔中，它们对于微腔中的各向同性解决方案变得可以忽略不计。它的结论是，进一步的研究是必要的，以跟踪实验观察到的动力学的起源。
2020-03-13 cond-mat.mes-hall physics.chem-ph
Chemical equilibrium under vibrational strong coupling
本研究提出光学微腔中的化学平衡理论，揭示振动强耦合下极化激元对化学平衡的调控机制及影响因素，为微腔调控化学平衡提供理论基础。
2023-04-30 physics.chem-ph physics.optics
Exploring the impact of vibrational cavity coupling strength on ultrafast CN + $c$-C$_6$H$_{12}$ reaction dynamics
本研究通过瞬态吸收技术探究不同振动腔耦合强度下CN与环己烷-三氯甲烷体系的超快反应动力学，发现反应速率不受腔耦合条件及强度影响，表明耦合强度不足并非相关氢提取反应腔效应微弱的决定因素。
2024-01-23 physics.chem-ph quant-ph
Precision Franck-Condon spectroscopy from highly-excited vibrational states
研究表明利用高激发振动初态可突破基态波函数宽度限制，将电子诱导的核几何变化放大 $2\langle n\rangle+1$ 倍，从而实现精密 Franck–Condon 光谱测量。
2024-01-22 physics.chem-ph quant-ph
Superreaction: the collective enhancement of a reaction rate by molecular polaritons in the presence of energy fluctuations
最近的实验表明，分子极化激元，光和物质的混合状态之间的强耦合分子的电子或振动激发和光学腔形成，可以大大改变分子系统的物理和化学性质。在这里，我们表明，通过利用分子极化激元的集体性质与极化子去耦的影响，即，通过抑制环境对极化激元的影响，可以实现超反应，包括在全部耦合到共同受体的供体系统中电荷或激发能量转移反应速率的集体增强。这种效应类似于超辐射现象。由于极化激元是耦合到腔中的所有分子的激发态的叠加态，所以它很容易受到分子系统中能量涨落引起的退相干的影响。因此，在没有强的光-物质相互作用的情况下，反应速率随着分子数量的增加而显著降低，即使系统从极化激元状态开始。通过开启光-物质相互作用，系统的动力学行为发生了巨大的变化，反应速率随着分子数量的增加而增加，正如超反应所预期的那样。其基本机制被证明是增强的量子相干性之间的不同施主的光-物质相互作用变得更强。
2021-03-30 physics.chem-ph quant-ph
Disorder-induced non-Gaussian states in large ensembles of cavity-coupled molecules
CESQ/ISIS (UMR 7006), CNRS and Université de Strasbourg（CNRS与斯特拉斯堡大学）
研究发现，在极子化学的集体强耦合模型中， disorder 导致单分子振动模式在短时间尺度上产生非高斯态，且该效应在更大分子数下仍保持稳定，表明核子波包无法用热态描述。
2026-04-20 physics.chem-ph quant-ph
Controlling the nonadiabatic electron-transfer reaction rate through molecular-vibration polaritons in the ultrastrong coupling regime
最近的实验表明，化学反应速率通过将核振动模式与光学腔的单模强耦合而被修改，或者增加或者减少。在这里，我们研究如何电子转移反应的速率取决于在超强耦合制度，其中的耦合强度是可比的振动和腔频率的幅度的分子-腔耦合。我们发现两个主要因素，决定修改的反应速率：的耦合和混合的基态和激发态的分子振动的基态的混合的混合分子加腔系统的初始和最终状态之间的过渡的弗兰克-康登因子被改变的能级的相对移动。前者是主导因素，如果反应物和产物状态的分子-腔耦合强度显着不同，从彼此，并引起在很宽的系统参数范围内的反应速率的增加。如果反应物和产物状态的耦合强度和能级彼此接近，则后者占主导地位，并且它导致反应速率的降低。然而，分子振动态的混合对反应速率的影响在含有大量分子的系统中由于所产生的极化激元的集体性质而被抑制，因此在含有少量分子的系统中应该被观察到。相反，能级的相对位移的影响应该基本上与耦合到腔的分子的数量无关。
2020-05-01 cond-mat.mes-hall physics.chem-ph quant-ph
Unraveling a cavity induced molecular polarization mechanism from collective vibrational strong coupling
该研究通过腔Born-Oppenheimer近似将Pauli-Fierz模型归约为腔Hartree方程，揭示集体振动强耦合可在热力学极限下诱导分子局部电子极化与零净极化的极化玻璃模式。
2024-03-27 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph quant-ph
Unveiling the Dance of Molecules: Ro-Vibrational Dynamics of Molecules under Intense Illumination at Complex Plasmonic Interfaces
本研究开发了自洽模型与数值方法求解耦合 Schrodinger-Maxwell 方程，模拟共振腔中双原子分子的振转动力学，揭示了腔诱导的持续分子取向和退相干驱动的弛豫稳定机制，并证明强耦合可改变手性超表面圆二色性光谱。
2025-01-28 physics.chem-ph physics.optics quant-ph
Ultrafast Thermal Modification of Strong Coupling in an Organic Microcavity
本文通过非共振红外激发有机微腔，利用金属镜中电子超快加热改变折射率并调控强耦合条件，证明腔极化激元可作为非平衡热现象的灵敏探针。
2020-10-01 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
