Étude théorique et expérimentale du couplage vibrationnel fort en chimie

Theoretical and experimental study of vibrational strong coupling in chemistry

• Auteur / Autrice : Jaime De la fuente diez
• Direction : Rodolphe Vuilleumier
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Chimie Physique
• Date : Inscription en doctorat le 01/09/2021
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Chimie physique et chimie analytique de Paris Centre (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Processus d'Activation Sélectif par Transfert d'Énergie Uni-électronique ou Radiatif
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Chimie Théorique
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École normale supérieure (Paris ; 1985-....)

Mots clés

Mots clés libres

Couplage vibrationnel forte

Cavité electromagnetique

Chimie polaritonique

Vibrational strong coupling

Electromagnetic cavity

Polaritonic chemistry

Résumé

Des expériences récentes ont montré que des réactions chimiques à l'état fondamental peuvent être modifiée de façon surprenante par le couplage de vibrations moléculaires avec le champ quantique électromagnétique d'une micro-cavité. Ce projet a pour objectif de comprendre l'influence de ces états hybrides lumière-matière sur la réactivité chimique à travers des efforts théoriques et expérimentaux conjoints. Nous nous proposons de développer une extension des simulations par intégrales de chemin pour inclure le couplage avec une cavité en résonance. Ces simulations seront testées sur des systèmes modèles puis sur des systèmes réalistes. Nous mènerons aussi des expériences de microfluidique spécifiquement mises au point pour étudier les différents paramètres du couplage entre vibrations et modes de la cavité. Le projet permettra alors d'enrichir la boîte à outils des chimistes pour permettre le contrôle des réactions chimiques de manière non-invasive et sans apport extérieur d'énergie.

Remarkable new experiments have shown that ground state chemistry can be altered by strong coupling of molecular vibrations with the quantum electromagnetic field of a microfluidic cavity, a situation denoted vibrational strong coupling. The present project aims at understanding the influence of these hybrid light-matter states on chemical reactions through a joint theoretical and experimental effort. We plan to develop an extension of the Path-Integral approach to include the coupling of molecular vibrations with a resonant cavity mode. These simulations will be first tested on model systems and then applied to realistic ones. In parallel, microfluidic experiments with specific design will be performed to decipher the role of the parameters characterizing the coupling between vibrations and light inside the cavity. The project will expand the chemist toolbox for controlling chemical reactions using a non-invasive approach and without the need for an external energy source.