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A quantum optics approach to photoinduced electron transfer in cavities

Authors :
Guido Pupillo
Johannes Schachenmayer
David Wellnitz
Schachenmayer, Johannes
Institut de Science et d'ingénierie supramoléculaires (ISIS)
Université de Strasbourg (UNISTRA)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Matériaux et Nanosciences Grand-Est (MNGE)
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Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg (IPCMS)
Université de Strasbourg (UNISTRA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Matériaux et Nanosciences Grand-Est (MNGE)
Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Réseau nanophotonique et optique
Réseau nanophotonique et optique
Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Matériaux et nanosciences d'Alsace (FMNGE)
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Université de Strasbourg (UNISTRA)-Matériaux et nanosciences d'Alsace (FMNGE)
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Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Strasbourg (UNISTRA)
Source :
Journal of Chemical Physics, Journal of Chemical Physics, 2021, Journal of Chemical Physics, American Institute of Physics, 2021
Publication Year :
2021

Abstract

We study a simple model for photoinduced electron transfer reactions for the case of many donor-acceptor pairs that are collectively and homogeneously coupled to a photon mode of a cavity. We describe both coherent and dissipative collective effects resulting from this coupling within the framework of a quantum optics Lindblad master equation. We introduce a method to derive an effective rate equation for electron transfer, by adiabatically eliminating donor and acceptor states and the cavity mode. The resulting rate equation is valid both for weak and strong coupling to the cavity mode, and describes electronic transfer through both the cavity coupled bright states and the uncoupled dark states. We derive an analytic expression for the instantaneous electron transfer rate that depends non-trivially on the time-varying number of pairs in the ground state. We find that under proper resonance conditions, and in the presence of an incoherent drive, reaction rates can be enhanced by the cavity. This enhancement persists, and can even be largest, in the weak light-matter coupling regime. We discuss how the cavity effect is relevant for realistic experiments.<br />17 pages, 5 figures

Details

ISSN :
10897690 and 00219606
Volume :
154
Issue :
5
Database :
OpenAIRE
Journal :
The Journal of chemical physics
Accession number :
edsair.doi.dedup.....2cebafb7d621b4f4691794e4a9165ed3