电偶极函数的形状决定非谐振动极化子的亚皮秒动力学

我们发展了一种全量子力学方法，用以描述在强耦合与超强耦合机制下单一非谐振动模式与量子化红外腔场相互作用的静态性质与动力学。通过将腔中Morse振子的多配置含时Hartree（MCTDH）模拟与该问题在Hilbert空间中的等价表述相比较，我们首次阐明了永久偶极矩在振动极化子波包的飞秒动力学中的关键作用。我们表明，依据沿振动模式坐标$q$的电偶极函数$d_e(q)$的形状，分子可被归为三大普遍类别。对于具有极性且平衡处偶极函数斜率为正的分子，我们显示在无振动或腔激发的初始绝热光-物质乘积态下，于超强耦合起始处的相互作用强度，可演化为具有大量腔内光子的极化子波包。这种腔内光子幅度的积累伴随着振动模式近$10\%$的有效$伸长$，可与自由空间中激光诱导的振动激发相比拟。相反，同样在平衡处具有极性但偶极函数斜率为负的分子，在等效耦合条件下经历振动模式的有效$缩短$。我们利用HF与CO$_2$分子基电子态下真实的$ab$-$initio$势能与偶极函数对模型预测进行了数值验证。最后，我们提出了一种非绝热态制备方案，利用纳米尺度红外天线与紫外-可见光化学或电子隧穿来生成振动极化子，以实现自发产生红外量子光的远场探测。