一般电磁环境中量子光—物质相互作用的第一性原理计算

强耦合光—物质系统这一新兴领域近年来因有望改变分子与材料的物理和化学性质而备受关注。由于该领域融合了凝聚态物理与量子光学的思想，吸引了来自两个领域的理论学家。前者对物质的电子结构有精确描述，但对电磁环境的描述往往过度简化；相反，后者常对电磁环境有精细描述，却用简单的少能级近似处理物质。两种方法均有问题：对电子系统的过度简化无法描述光致结构变化等效应，而对电磁环境的过度简化会因光—物质相互作用强度被错误表征而导致非物理预测。在此我们克服这些缺陷，提出首个能从第一性原理定量描述电子系统与一般电磁环境的方法。我们将宏观 QED（MQED）与量子电动力学密度泛函理论相结合来实现这一点。作为示例，我们考虑一个吸收球腔，并研究环境与电子系统的不同参数对多种芳香分子从弱耦合到强耦合转变的影响。作为本工作的一部分，我们还提供了一个易于使用的工具来计算简单腔体 setup 的腔耦合强度。我们的工作是迈向强耦合量子光—物质系统无参数第一性原理计算的一步，并将有助于弥合该领域理论方法与实验之间的鸿沟。