Hvordan fotoner ændrer kemien

Lysets kvantenatur spiller normalt ikke en vigtig rolle, når man overvejer de kemiske egenskaber af atomer eller molekyler. I en artikel offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences videnskabsmænd fra Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter i Hamborg viser, imidlertid, at under visse betingelser, fotoner kan i høj grad påvirke kemien. Disse resultater indikerer muligheden for, at kemiske processer kan skræddersyes af fotoner.

Eksperimentelt, sådanne situationer er allerede blevet observeret, men teoretiske forudsigelser om sådanne tilstandes kemiske egenskaber var kun mulige i begrænset omfang; de almindelige kvantekemiske metoder tager ikke højde for lysets kvantenatur. Forskergruppen har nu udvidet nogle af disse metoder til at omfatte koblingen til fotonerne. Blandt andet, gruppen af ​​prof. Angel Rubio viste, hvordan stærk kobling til fotoner i et optisk hulrum ændrer molekylers kemiske egenskaber, som dens bindingslængde eller dens absorption.

"Af særlig interesse, " siger Johannes Flick, værkets hovedforfatter, "er ændringerne af Born-Oppenheimer overfladerne, som bruges til at karakterisere kemiske reaktioner. Vi fandt ud af, at stærk lys-stof-kobling inducerer nye reaktionsveje." Samtidig, forskerne undersøgte, om standard kemiske reaktioner kan gøres mere effektive ved at anvende stærk kobling til fotonerne. For at gøre det, de betragtede en simpel model for ladningsoverførsel mellem to kvantesystemer. Sådanne ladningsoverførselsreaktioner drives sædvanligvis af en laserimpuls. I dette arbejde, reaktionen blev assisteret af nogle få fotoner i det optiske hulrum, hvilket gav mulighed for lavere laserintensiteter.

"Vores teoretiske resultater hjælper ikke kun til bedre at forstå adfærden af ​​atomer og molekyler, der er stærkt koblet til fotoner i et optisk hulrum, " siger Johannes Flick, "men de fremhæver også muligheden for at ændre kemiske egenskaber via fotoner." Næste, videnskabsmanden ønsker at anvende deres teoretiske metoder på mere komplekse molekyler. Målet er at vise, at de nuværende resultater er generelt gyldige, og at man kan ændre de kemiske egenskaber af alle slags molekyler via stærk lys-stof-kobling.