金属表面近场下共振能量转移理论和计算方法的研究

The resonant energy transfer (RET) in the conjugate polymer under the influence of metallic near field thermal evanescent field as photonic reservoir is an important interdisciplinary topic. How to manipulate and optimize the efficiency of RET with the physics and geometric parameters of metal surface is the key question. Our research will be focused on the development of the computational statistical mechanics model of the thermal evanescent field of metal surface and computational method to calculate the coupling of the evanescent field and exciton. The classic and quantum theoretical models of RET on metal surfaces will be developed accordingly. Our classic model, extended Forster Resonant Energy Transfer (FRET), is established with the dyadic Green function formalism. We establish the perturbative Polaron Master Equation and non-perturbative rigorous computational approach based on the Matrix Product Operator formalism. With the theory and computational approaches, we can simulate the non-equilibrium process and equilibrium/steady state properties of the exciton transfer/transport in the vicinity of metal. Due to the similarity of formalism, it will be interesting to study the non-adiabatic quantum dynamics modulated by metal surface and explore the possibility of quantum control through the metallic near field and plasmonic.

金属电极表面近场热衰减波作为光子热库对有机共轭聚集体的共振能量传输效率影响是一个重要的跨学科理论课题。如何通过调控金属表面的物理和几何参数，优化和提高共振能量传输效率是本课题的中心问题。由此，我们的研究将首先建立金属表面的近场热衰减波平衡态统计力学计算模型和发展激子与表面近场衰减波耦合机理和计算方法上。针对不同应用研究需要，我们将发展经典和量子共振能量传输的理论模型和计算方法。经典模型建立在并矢格林函数理论框架和对荧光共振能量传输公式的扩展上。量子模型分别建立在摄动极化变换主方程模型和基于算子矩阵乘积框架下的严格非摄动动力学计算模拟方法上。通过建立理论模型和发展高效的计算算法，我们可以模拟金属表面下共振能量传输的瞬态动力学过程和恒稳态输运性质。由于理论上的相似性，我们可以拓展理论模型研究金属表面非绝热量子动力学过程，以及通过金属表面近场衰减波和等离子激原进行量子控制的可能性。

表面近场对新一代有机半导体，分子传感器，热光伏传导等系统设计优化都至关重要. 纳米光子材料和人工微结构是增强光与物质相互作用的重要电磁超材料体系之一。纳米光子材料表面对分子体系的能量传递机理需要新的电场耦合和发展新的能量传递动力学，尤其表面热近场衰减波与有机半导体体系，随着材料结构功能预测，研究如何设计材料表面结构，和调控表面近场是非常至关重要的研究方向。. 当前研究内容包括实现基于边界元法(Boundary Element Method, BEM)热近场衰减波的计算模型和发展新的热近场衰减波耦合下的共振能量传递理论和计算模型. 理论工作包括在热近场衰减波影响下的扩展经典Foster 共振能量传递理论和方法和能量量子相干转移过程。基于扩展的共振能量传递理论, 研究近场衰减波如何调控分子体系能量传递的机理，尤其是纳米光子材料表面对分子间能量转移速率的影响。在扩展的共振能量传递理论基础, 我们进一步发展基于深度加强学的正向优化设计方法, 寻找匹配的纳米光子材料超结构调控热近场衰减波, 进而增强分子体系能量传递效率.. 分子间的能量传递是维系生命重要方式，也是实现化学反应、构造分子功能材料的重要途径。多色体效应广泛存在光捕获复合体和有机半导体材料, 在Foster 共振能量传递理论基础上, 我们提出了热近场衰减波耦合下多色体能量共振能量传递(Generalized Multi-chromophoric Foster Resonant Energy Transfer)的方法. 基于纳米光子材料结构参数, 通过扩展多色体能量共振能量传递方法, 我们可以研究如何优化纳米光子材料超表面结构, 增强光敏材料的能量传递效率. 通过研究多层纳米结构分子体系共振能量传递效率调控, 我们发现在多层纳米薄膜结构下, 受体与供体选择和其发射和吸收光谱的交集区域对能量传递效率的调控至关重要. 在多层纳米球体系中, 纳米球的层数和分子偶极子的极化方向对能量传递效率调控很重要. 通过优化基于发射光谱, 吸收光谱和热近场衰减波频谱耦合的目标函数, 利用当前发展的人工智能加强算法可以帮助我们寻找与分子体系能量传递匹配最佳的纳米光子材料结构.