Dynamics and spectrum of a molecule coupled to a vibrational mode
- Autores: Jorge Calvo Ibar
- Directores de la Tesis: David Zueco Lainez (dir. tes.), Luis Martín Moreno (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Zaragoza ( España ) en 2021
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Alejandro González Tudela (presid.), Fernando de León Pérez (secret.), Antonio I. Fernández Domínguez (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Física por la Universidad de Zaragoza
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: Zaguán
- Resumen
El estudio en el campo de la electrodinámica cuántica de cavidad (cavity Quantum Electrodynamics (QED)) durante el último siglo [1] ha permitido la interacción coherente (oscilaciones Rabi) de la luz con la materia, alcanzándose así, el régimen conocido como acoplamiento fuerte o strong coupling.
Existen multitud de plataformas experimentales para el estudio de la interacción luz-materia; desde osciladores nanomecánicos (nano-mechanical oscillators) [2] a sistemas de átomos artificiales formados a partir de uniones Josephson. Estos últimos sistemas han permitido la construcción del primer ordenador cuántico por Google en 2019 [3].
En este trabajo, nos hemos centrado en un sistema de dos niveles constituido por una molécula orgánica [4]. Un sistema como este, presenta una característica diferenciadora, los modos de vibración. Estos son parametrizados a través del denominado como factor de Huang-Rhys [5] (1950). Así, hemos estudiado una molécula (sistema de dos niveles) con un modo de vibración, embebida en una cavidad electromagnética. En primer lugar, estudiamos el espectro de energías del sistema (capítulo 2) y los efectos ultrastrong en el mismo. Es decir, el efecto en el sistema de los términos que no conservan el número de excitaciones en el modelo de Rabi [6]. Para ello, usamos técnicas tales como la transformación de Polarón y la teoría de perturbaciones; o técnicas numéricas como la diagonalización exacta.
Seguidamente, continuamos estudiando la dinámica del sistema (capítulo 3). Así, modelizamos las perdidas energéticas usando el formalismo de la ecuación maestra [7]. Con ello, estudiamos la dependencia de la frecuencia Rabi del sistema y el decaimiento con el acoplo de la molécula con su modo de vibración. Además, analizamos el espectro del Lindbladiano para obtener las transiciones más relevantes en la dinámica.
A continuación, calculamos el espectro de ruido (noise spectrum) [8] del sistema (capítulo 4), estudiando de nuevo los efectos ultrastrong en el mismo. Por último, insertamos nuestro sistema en una guía de ondas (capítulo 5) y estudiamos los estados ligados (bound states) [9] que se forman en torno al emisor.
[1] Serge Haroche. Nobel lecture: Controlling photons in a box and exploring the quantum to classical boundary. Rev. Mod. Phys., 85:1083-1102, Jul 2013.
[2] T. Rocheleau, T. Ndukum, C. Macklin, J. B. Hertzberg, A. A. Clerk, and K. C. Schwab. Preparation and detection of a mechanical resonator near the ground state of motion. Nature, 463(7277):72-75, Jan 2010.
[3] Frank Arute, John M. Martinis et al., Quantum supremacy using a programmable superconducting processor. Nature, 574(7779):505-510, Oct 2019.
[4] Salvatore Gambino, Marco Mazzeo, Armando Genco, Omar Di Stefano, Salvatore Savasta, Salvatore Patane, Dario Ballarini, Federica Mangione, Giovanni Lerario, Daniele Sanvitto, and Giuseppe Gigli. Exploring light matter interaction phenomena under ultrastrong coupling regime. ACS Photonics, 1(10):1042-1048, 2014.
[5] Kun Huang, Avril Rhys, and Nevill Francis Mott. Theory of light absorption and non-radiative transitions in f-centres. Proceedings of the Royal Society of London. Series A. Mathematical and Physical Sciences, 204(1078):406-423, 1950.
[6] I. I. Rabi. On the process of space quantization. Phys. Rev., 49:324-328, Feb 1936.
[7] Heinz-Peter Breuer and Francesco Petruccione. The Theory of Open Quantum Systems. Oxford University Press, 2003.
[8] Jens Jensen and Allan R. Mackintosh. Rare Earth Magnetism - Structures and Excitations. Clarendon Press - Oxford, 2 edition, June 1991.
[9] A. Gonzalez-Tudela, C.-L. Hung, D. E. Chang, J. I. Cirac, and H. J. Kimble. Subwavelength vacuum lattices and atom-atom interactions in two-dimensional photonic crystals. Nature Photonics, 9(5):320-325, May 2015.
