The photophysical properties of strongly coupled hybridized light-matter states in a classical physics perspective

Editorial Board PCSS Journal; Олександр Авраменко

doi:10.15330/pcss.27.1.62-68

Автор(и)

Олександр Авраменко Міністерство охорони здоров’я та соціальних служб США, Управління з контролю за продуктами і ліками (FDA), Лабораторія медичних виробів Детройта, Детройт, штат Мічиган, США

DOI:

https://doi.org/10.15330/pcss.27.1.62-68

Ключові слова:

поляритони, молекулярні коливання, Лоренц, осцилятор

Анотація

Модель осцилятора Лоренца застосовано до сильно зв’язаного гібридизованого світло-матеріального стану. Показано, що дійсна частина показника заломлення зазнає різкої зміни в області так званих «темних станів». Ця властивість гібридизованих світло-матеріальних станів може дозволити використовувати їх як нетрадиційні оптичні матеріали, в яких абсорбційні та заломлювальні властивості можуть бути селективно керовані. У цій роботі розглянуто основні властивості гібридних світло-матеріальних станів, також відомих як порожнинні поляритони. Модель осцилятора Лоренца застосовано до двох типів світло-матеріальних станів: першого, утвореного внаслідок зв’язку між одним екситоном і одним фотоном порожнини, та другого, утвореного внаслідок зв’язку двох екситонів із фотоном порожнини. Крім того, для оцінки жорсткості пружини двоатомної молекули в умовах сильного світло-матеріального зв’язку використано модель простого гармонічного осцилятора. Встановлено, що жорсткість пружини безпосередньо пов’язана з фотонною складовою системи: вищий фотонний характер відповідає меншій жорсткості пружини.

Посилання

B. E. Schirrmeister, J.M. de Vos, A.Antonelli, and H.C. Bagheri, Evolution of multicellularity coincided with increased diversification of cyanobacteria and the Great Oxidation Event, PNAS, 110, (5), 1791 (2013); https://doi.org/10.1073/pnas.1209927110.

T. W. Ebbesen, Hybrid light-matter states in a molecular and material science perspective, Acc. Chem. Res., 49, (11), 2403 (2016); https://doi.org/10.1021/acs.accounts.6b00295.

J. Feist, J. Galego, Javier F.J. Garcia-Vidal, Polaritonic Chemistry with Organic Molecules, ACS Photonics, 5, (1), 205 (2018); https://doi.org/10.1021/acsphotonics.7b00680.

S. Kéna-Cohen, S. R. Forrest, Room-temperature polariton lasing in an organic single-crystal microcavity, Nature, 4, (6), 371 (2010); https://doi.org/10.1038/nphoton.20.

A. G. Avramenko, A. S. Rury, Local molecular probes of ultrafast relaxation channels in strongly coupled metalloporphyrin-cavity systems, The Journal of Chemical Physics, 155, (6), 064702-1 (2021); https://doi.org/10.1063/5.0055296.

J. Wang, R. Su, J. Xing, D. Bao, C. Diederichs, S. Liu,T.C.H. Liew, Z. Chen, Q. Xiong, Room Temperature Coherently Coupled Exciton−Polaritons in Two-Dimensional Organic−Inorganic Perovskite, ACS Nano, 12, (8), 8382 (2018); https://doi.org/10.1021/acsnano.8b03737.

M. Slootsky, X. Liu, V. Menon, S. R. Forrest, Room Temperature Frenkel-Wannier-Mott Hybridization of Degenerate Excitons in a Strongly Coupled Microcavity, Phys. Rev. Lett., 112, (7), 076401 (2014); https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.112.076401.

R. J. Holmes, S. R. Forrest, Strong Exciton-Photon Coupling and Exciton Hybridization in a Thermally Evaporated Polycrystalline Film of an Organic Small Molecule, Phys. Rev. Lett., 93, (18), 186404 (2004); https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.93.186404.

D. Bajoni, Polariton lasers. Hybrid light–matter lasers without inversion, Journal of Physics D: Applied Physics, 45, (40), 409501 (2012); https://doi.org/10.1088/0022-3727/45/40/409501.

A.G. Avramenko, Do quantum effects influence the energy of polariton states?, Physics and Chemistry of Solid State, 25 (3), 478 (2024); https://doi.org/10.15330/pcss.25.3.478-484.

J.J. Hopfield, Theory of the Contribution of Excitons to the Complex Dielectric Constant of Crystals, Phys. Rev., 112 (5), 1555 (1958); https://doi.org/10.1103/PhysRev.112.1555.

A. Graf, Strong light-matter interactions and exciton-polaritons in carbon nanotubes, Heidelberg University, Department of Physical Chemistry, Ph.D. Dissertation, https://doi.org/10.11588/heidok.00026454.

E. A. Saleh, M. C. Teich, “Fundamental of Optics and Photonics,” Wiley, 2007, 2nd ed. Chap. 10.

A. Avramenko, Photophysics Of Metalloporphyrins Strongly Coupled To Cavity Photons, Wayne State University-Department of Chemistry, Ph.D. Dissertation.

J. Peatross, M. Ware, Physics of Light and Optics, Bringham Young University, 2024, Chap. 2.

A. B. Djurišić, E. Herbert Li, Modeling the index of refraction of insulating solids with a modified lorentz oscillator model, Applied optics, 37, (22), 5291 (1998); https://doi.org/10.1364/AO.37.005291.

R. P. Feynman, The Feynman lectures on physics, Addison–Wesley, 1964, vol 2, Chap. 1.

M. Wang, M. Hertzog, K. Börjesson, Polariton-assisted excitation energy channeling in organic heterojunctions, Nature, 12, (1), 1874 (2021); https://doi.org/10.1038/s41467-021-22183-3.

A. D. Rakić, Algorithm for the determination of intrinsic optical constants of metal films: application to aluminum, Applied Optics, 34, (22), 4755 (1995); https://doi.org/10.1364/AO.34.004755.

R. Blümel, M. Bagcioglu, R. Lukacs, A. Kohler, Infrared refractive index dispersion of polymethyl methacrylate spheres from mie ripples in fourier-transform infrared microscopy extinction spectra, J. Opt. Soc. Am. A., 33, (9), 1687– (2016); https://doi.org/10.1364/JOSAA.33.001687.

T.J. Hall, R. Jaura, L.M. Connors, P.D. Foote, The photorefractive effect—a review, Progress in Quantum Electronics, 10, (2), 77 (1985); https://doi.org/10.1016/0079-6727(85)90001-1.

M. Duocastella, S. Surdo, A. Zunino, A. Diaspro, P. Saggau, Acousto-optic systems for advanced microscopy, Journal of Physics: Photonics, 3, (1), 012004 (2020); https://doi.org/10.1088/2515-7647/abc23c.

R. André, D. Heger, L. S. Dang, Y. M. d'Aubigné, Spectroscopy of polaritons in CdTe-based microcavities, Journal of Crystal Growth, 184, 758 (1998); https://doi.org/10.1016/S0022-0248(98)80158-9.

A. Thomas, A. Jayachandran, L. Lethuillier-Karl, R. M.A. Vergauwe , K. Nagarajan, E. Devaux, C. Genet, J. Moran, T. W. Ebbesen, Ground state chemistry under vibrational strong coupling: dependence of thermodynamic parameters on the Rabi splitting energy, Nanophotonics, 9 (2), 249 (2020); https://doi.org/10.1515/nanoph-2019-0340.

E. Orgiu, J. George, J. A. Hutchison, E. Devaux, J. F. Dayen, B. Doudin, F. Stellacci, C. Genet, J. Schachenmayer, C. Genes, G. Pupillo, P. Samorì, T. W. Ebbesen, Conductivity in organic semiconductors hybridized with the vacuum field, Nature, 14, (11), 1123 (2015); https://doi.org/10.1038/nmat4392.

D. G. Lidzey, D. D. C. Bradley, M. S. Skolnick, T. Virgili, S. Walker, D. M. Whittaker, Strong exciton-photon coupling in an organic semiconductor microcavity, Nature, 395, (6697), 53 (1998); https://doi.org/10.1038/25692.

A.M. Berghuis, A. Halpin, Q. Le-Van, M. Ramezani, S. Wang, S. Murai, J. Gómez Rivas, Enhanced Delayed Fluorescence in Tetracene Crystals by Strong Light-Matter Coupling, Adv. Funct. Mater., 29, (36), 1901317 (2019); https://doi.org/10.1002/adfm.201901317.

O. Číp, R. Šmíd , M. Čížek , Z. Buchta, J. Lazar, Study of the thermal stability of Zerodur glass ceramics suitable for a scanning probe microscope frame, Central European Journal of Physics, 10, 447 (2012); https://doi.org/10.2478/s11534-011-0112-6.

A.M. Kelly, Condensed Phase Molecular Spectroscopy, John Wiley & Sons, 2022.

P. Atkins, J.D. Paula, J. Keeler, Atkins' Physical Chemistry, Oxford university press, 2019.

H. Poincaré, The principles of mathematical physics, The Monist, 1 (1905); https://www.jstor.org/stable/27899559.

E. Hecht, Einstein on mass and energy, A. J. Phys., 77 (90), 799 (2009); https://doi.org/10.1119/1.3160671.

S. Wang, T. Chervy, J. George, J. A. Hutchison, C. Genet, T. W. Ebbesen, Quantum yield of polariton emission from hybrid light-matter states, J. Phys. Chem. Lett., 5 (8), 1433 (2014); https://doi.org/10.1021/jz5004439.

J. Galego, F.J. Garcia-Vidal, J. Feist, Cavity-induced modifications of molecular structure in the strong-coupling regime, Phys. Rev. X., 5 (4), 041022 (2015); https://doi.org/10.1103/PhysRevX.5.041022.

J.Mony, C. Climent, A.U. Petersen, K. Moth-Poulsen, J. Feist, K. Börjesson, Photoisomerization Efficiency of a Solar Thermal Fuel in the Strong Coupling Regime, Adv. Funct. Mater, 31 (21), 2010737 (2021); https://doi.org/10.1002/adfm.202010737.