光と物質の相互作用における無秩序なエネルギーの克服(Overcoming Disordered Energy in Light-Matter Interactions)

2025-08-21 カリフォルニア大学サンディエゴ校(UCSD)

カリフォルニア大学サンディエゴ校(UC San Diego)の研究チームは、光と物質の強結合によって形成される「ポラリトン」が、エネルギーの“ゆらぎ”や無秩序によって引き起こされるエネルギー伝達の阻害を突破する方法を実験的に明らかにしました。自然界に広く存在する“disordered energy”は、エネルギーを効果的に移送する能力を低下させ、たとえば植物においてもエネルギー移動の効率を損なう要因です。研究では、ポラリトンの“非局在化(delocalization)”という特性を維持するための理論的閾値を提示し、この特性が化学反応の制御やエネルギー関連技術、フォトニクス分野での応用に影響する可能性を示しました。具体的には、ポラリトンが結晶全体を連携して励起状態にすることで、散逸によるエネルギー喪失を防ぎ、効率的な伝達を実現する道筋を理論と実験の両面から提示しています。研究成果は科学誌『Science』に掲載されました。

光と物質の相互作用における無秩序なエネルギーの克服(Overcoming Disordered Energy in Light-Matter Interactions)cr: Pashalgnatov / iStock

<関連情報>

振動ポラリトンにおけるキャビティ補助型エネルギー転送におけるエネルギー乱れを克服する Overcoming energy disorder for cavity-enabled energy transfer in vibrational polaritons

Guoxin Yin, Tianlin Liu, Lizhu Zhang, Tianyu Sheng, […] , and Wei Xiong
Science  Published:21 Aug 2025
DOI:https://doi.org/10.1126/science.adx3137

Editor’s summary

Cavity-enabled energy transfer in vibrational polaritons is a promising route to manipulating chemical dynamics in condensed phases, yet the underlying mechanisms remain elusive. One important factor that has been largely overlooked is energy disorder, which is prevalent in chemistry and can significantly affect polariton delocalization and modify molecular dynamics. Yin et al. prepared 2,6-di-tert-butylphenol in both saturated solutions (inhomogeneous limit) and crystalline solids (homogeneous limit), which allowed them to probe the polaritonic effects of the same molecular polariton system in distinct disorder conditions (see the Perspective by Son). Using two-dimensional infrared spectroscopy and molecular dynamics simulation, the authors showed that energy disorder can suppress polariton delocalization and prevent the consequent cavity-enabled vibrational energy transfer. They also examined potential strategies to overcome disorder-induced localization effects. —Yury Suleymanov

Abstract

Energy disorder is ubiquitous in chemistry and physics. It can suppress polariton delocalization by disrupting molecular coherence–limiting polariton-modified properties. We investigated how energy disorders affect vibrational polariton dynamics by probing ultrafast dynamics in 2,6-di-tert-butylphenol in liquids (inhomogeneous) and solids (homogeneous) using two-dimensional infrared spectroscopy and molecular dynamics simulations. In liquids, energy disorder disrupted delocalization, preventing vibrational energy transfer. By contrast, with reduced inhomogeneity, vibrational strong coupling in solids restored delocalization and enabled energy transfer. We established a stringent delocalization criterion, requiring collective coupling strengths exceeding three times inhomogeneous linewidths to sustain polariton coherence. This finding highlights energy disorder’s detrimental effects and outlines strategies to overcome localization—either by minimizing disorder through chemical control or by achieving sufficient couplings using advanced photonic structures.

1700応用理学一般
ad
ad
Follow
ad
タイトルとURLをコピーしました