Ultrastrong light–matter interaction with molecular vibrations in infrared cavities has emerged as a tool for manipulating and controlling chemical reactivity. By studying the wavepacket dynamics of an individual polar diatomic molecule in a quantized infrared electromagnetic environment, we show that chemical bonds can efficiently dissociate in the absence of additional thermal or coherent energy sources, provided that the coupled system is prepared in a suitable diabatic state. Using hydrogen fluoride as a case study, we predict dissociation probabilities of up to 35% in less than 200 fs for a vibration-cavity system that is rapidly initialized with a low number of bare vibrational and cavity excitations. We develop a simple and general analytical model based on the multipolar formulation of quantum electrodynamics to show that the Bloch–Seigert shift of the bare vibrational ground state is a predictor of a threshold coupling strength below which no spontaneous dissociation is expected. The role of state-dependent permanent dipole moments in the light–matter interaction process is clarified. Our work paves the way toward the development of vacuum-assisted chemical reactors powered by ultrastrong light–matter interaction at the single-molecule level.

1.
C. L.
Degen
,
F.
Reinhard
, and
P.
Cappellaro
,
Rev. Mod. Phys.
89
,
035002
(
2017
).
3.
4.
P.
Forn-Díaz
,
L.
Lamata
,
E.
Rico
,
J.
Kono
, and
E.
Solano
,
Rev. Mod. Phys.
91
,
025005
(
2019
).
5.
A.
Frisk Kockum
,
A.
Miranowicz
,
S.
De Liberato
,
S.
Savasta
, and
F.
Nori
,
Nat. Rev. Phys.
1
,
19
(
2019
).
6.
F. J.
Hernández
and
F.
Herrera
,
J. Chem. Phys.
151
,
144116
(
2019
).
7.
J. F.
Triana
,
F. J.
Hernández
, and
F.
Herrera
,
J. Chem. Phys.
152
,
234111
(
2020
).
8.
A. A.
Anappara
,
S.
De Liberato
,
A.
Tredicucci
,
C.
Ciuti
,
G.
Biasiol
,
L.
Sorba
, and
F.
Beltram
,
Phys. Rev. B
79
,
201303
(
2009
).
9.
T.
Niemczyk
,
F.
Deppe
,
H.
Huebl
,
E. P.
Menzel
,
F.
Hocke
,
M. J.
Schwarz
,
J. J.
Garcia-Ripoll
,
D.
Zueco
,
T.
Hümmer
,
E.
Solano
,
A.
Marx
, and
R.
Gross
,
Nat. Phys.
6
,
772
(
2010
).
10.
M.
Mazzeo
,
A.
Genco
,
S.
Gambino
,
D.
Ballarini
,
F.
Mangione
,
O.
Di Stefano
,
S.
Patanè
,
S.
Savasta
,
D.
Sanvitto
, and
G.
Gigli
,
Appl. Phys. Lett.
104
,
233303
(
2014
).
11.
J.
George
,
T.
Chervy
,
A.
Shalabney
,
E.
Devaux
,
H.
Hiura
,
C.
Genet
, and
T. W.
Ebbesen
,
Phys. Rev. Lett.
117
,
153601
(
2016
).
12.
F.
Barachati
,
J.
Simon
,
Y. A.
Getmanenko
,
S.
Barlow
,
S. R.
Marder
, and
S.
Kéna-Cohen
,
ACS Photonics
5
,
119
(
2018
).
13.
R.
Chikkaraddy
,
V. A.
Turek
,
N.
Kongsuwan
,
F.
Benz
,
C.
Carnegie
,
T.
van de Goor
,
B.
de Nijs
,
A.
Demetriadou
,
O.
Hess
,
U. F.
Keyser
, and
J. J.
Baumberg
,
Nano Lett.
18
,
405
(
2018
).
14.
D.
Wang
,
H.
Kelkar
,
D.
Martin-Cano
,
D.
Rattenbacher
,
A.
Shkarin
,
T.
Utikal
,
S.
Götzinger
, and
V.
Sandoghdar
,
Nat. Phys.
15
,
483
(
2019
).
15.
O. S.
Ojambati
,
R.
Chikkaraddy
,
W. D.
Deacon
,
M.
Horton
,
D.
Kos
,
V. A.
Turek
,
U. F.
Keyser
, and
J. J.
Baumberg
,
Nat. Commun.
10
,
1049
(
2019
).
16.
M.
Kuisma
,
B.
Rousseaux
,
K. M.
Czajkowski
,
T. P.
Rossi
,
T.
Shegai
,
P.
Erhart
, and
T. J.
Antosiewicz
,
ACS Photonics
9
,
1065
(
2022
).
17.
D. A.
Bandurin
,
D.
Svintsov
,
I.
Gayduchenko
,
S. G.
Xu
,
A.
Principi
,
M.
Moskotin
,
I.
Tretyakov
,
D.
Yagodkin
,
S.
Zhukov
,
T.
Taniguchi
,
K.
Watanabe
,
I. V.
Grigorieva
,
M.
Polini
,
G. N.
Goltsman
,
A. K.
Geim
, and
G.
Fedorov
,
Nat. Commun.
9
,
5392
(
2018
).
18.
B.
Yao
,
Y.
Liu
,
S.-W.
Huang
,
C.
Choi
,
Z.
Xie
,
J.
Flor Flores
,
Y.
Wu
,
M.
Yu
,
D.-L.
Kwong
,
Y.
Huang
,
Y.
Rao
,
X.
Duan
, and
C. W.
Wong
,
Nat. Photonics
12
,
22
(
2018
).
19.
A. B.
Grafton
,
A. D.
Dunkelberger
,
B. S.
Simpkins
,
J. F.
Triana
,
F. J.
Hernández
,
F.
Herrera
, and
J. C.
Owrutsky
,
Nat. Commun.
12
,
214
(
2021
).
20.
R.
Wilcken
,
J.
Nishida
,
J. F.
Triana
,
A.
John-Herpin
,
H.
Altug
,
S.
Sharma
,
F.
Herrera
, and
M. B.
Raschke
,
Proc. Natl. Acad. Sci.
120
,
e2220852120
(
2023
).
21.
E. A.
Power
,
S.
Zienau
, and
H. S. W.
Massey
,
Philos. Trans. R. Soc. London, Ser. A
251
,
427
(
1959
).
22.
P. W.
Atkins
,
R. G.
Woolley
, and
C. A.
Coulson
,
Proc. R. Soc. London, Ser. A
319
,
549
(
1970
).
23.
R. G.
Woolley
and
C. A.
Coulson
,
Proc. R. Soc. London, Ser. A
321
,
557
(
1971
).
24.
E. A.
Power
and
T.
Thirunamachandran
,
Phys. Rev. A
28
,
2649
(
1983
).
25.
D. L.
Andrews
,
G. A.
Jones
,
A.
Salam
, and
R. G.
Woolley
,
J. Chem. Phys.
148
,
040901
(
2018
).
26.
J.
Feist
,
A. I.
Fernández-Domínguez
, and
F. J.
García-Vidal
,
Nanophotonics
10
,
477
(
2020
).
27.
J.
Fregoni
,
F. J.
Garcia-Vidal
, and
J.
Feist
,
ACS Photonics
9
,
1096
(
2022
).
28.
29.
J.
Keeling
,
J. Phys.: Condens. Matter
19
,
295213
(
2007
).
30.
D.
De Bernardis
,
P.
Pilar
,
T.
Jaako
,
S.
De Liberato
, and
P.
Rabl
,
Phys. Rev. A
98
,
053819
(
2018
).
31.
A.
Stokes
and
A.
Nazir
,
Nat. Commun.
10
,
499
(
2019
).
32.
C.
Sánchez Muñoz
,
F.
Nori
, and
S.
De Liberato
,
Nat. Commun.
9
,
1924
(
2018
).
33.
O.
Di Stefano
,
A.
Settineri
,
V.
Macrì
,
L.
Garziano
,
R.
Stassi
,
S.
Savasta
, and
F.
Nori
,
Nat. Phys.
15
,
803
(
2019
).
34.
M. A. D.
Taylor
,
A.
Mandal
,
W.
Zhou
, and
P.
Huo
,
Phys. Rev. Lett.
125
,
123602
(
2020
).
35.
J.
Flick
,
M.
Ruggenthaler
,
H.
Appel
, and
A.
Rubio
,
Proc. Natl. Acad. Sci.
114
,
3026
(
2017
).
36.
E. W.
Fischer
and
P.
Saalfrank
,
J. Chem. Phys.
154
,
104311
(
2021
).
37.
L.
Garziano
,
A.
Settineri
,
O.
Di Stefano
,
S.
Savasta
, and
F.
Nori
,
Phys. Rev. A
102
,
023718
(
2020
).
38.
V.
Rokaj
,
D. M.
Welakuh
,
M.
Ruggenthaler
, and
A.
Rubio
,
J. Phys. B: At., Mol. Opt. Phys.
51
,
034005
(
2018
).
39.
C.
Schäfer
,
M.
Ruggenthaler
,
V.
Rokaj
, and
A.
Rubio
,
ACS Photonics
7
,
975
(
2020
).
40.
P.
Forn-Díaz
,
J.
Lisenfeld
,
D.
Marcos
,
J. J.
García-Ripoll
,
E.
Solano
,
C. J. P. M.
Harmans
, and
J. E.
Mooij
,
Phys. Rev. Lett.
105
,
237001
(
2010
).
41.
S.-P.
Wang
,
G.-Q.
Zhang
,
Y.
Wang
,
Z.
Chen
,
T.
Li
,
J. S.
Tsai
,
S.-Y.
Zhu
, and
J. Q.
You
,
Phys. Rev. Appl.
13
,
054063
(
2020
).
42.
S. Y.
Buhmann
,
Dispersion Forces I: Macroscopic Quantum Electrodynamics and Ground-State Casimir, Casimir–Polder and van der Waals Forces
,
Springer Tracts in Modern Physics
(
Springer
,
Berlin, Heidelberg
,
2013
).
43.
J.
Aldegunde
and
A.
Salam
,
Mol. Phys.
113
,
226
(
2015
).
44.
A. D.
Dunkelberger
,
R. B.
Davidson
,
W.
Ahn
,
B. S.
Simpkins
, and
J. C.
Owrutsky
,
J. Phys. Chem. A
122
,
965
(
2018
).
45.
A. D.
Dunkelberger
,
A. B.
Grafton
,
I.
Vurgaftman
,
Ö. O.
Soykal
,
T. L.
Reinecke
,
R. B.
Davidson
,
B. S.
Simpkins
, and
J. C.
Owrutsky
,
ACS Photonics
6
,
2719
(
2019
).
46.
R. F.
Ribeiro
,
A. D.
Dunkelberger
,
B.
Xiang
,
W.
Xiong
,
B. S.
Simpkins
,
J. C.
Owrutsky
, and
J.
Yuen-Zhou
,
J. Phys. Chem. Lett.
9
,
3766
(
2018
).
47.
R.
Duan
,
J. N.
Mastron
,
Y.
Song
, and
K. J.
Kubarych
,
J. Phys. Chem. Lett.
12
,
11406
(
2021
).
48.
J. F.
Triana
and
F.
Herrera
, chemRxiv:10.26434/chemrxiv-2023-x82w3-v2 (
2023
).
49.
M.
Ostmann
,
J.
Minář
,
M.
Marcuzzi
,
E.
Levi
, and
I.
Lesanovsky
,
New J. Phys.
19
,
123015
(
2017
).
50.
M.
Born
and
V.
Fock
,
Z. Phys.
51
,
165
(
1928
).
51.
X.
Li
,
M.
Bamba
,
Q.
Zhang
,
S.
Fallahi
,
G. C.
Gardner
,
W.
Gao
,
M.
Lou
,
K.
Yoshioka
,
M. J.
Manfra
, and
J.
Kono
,
Nat. Photonics
12
,
324
(
2018
).
52.
S.
Mondal
,
D. S.
Wang
, and
S.
Keshavamurthy
,
J. Chem. Phys.
157
,
244109
(
2022
).
53.
D. P.
Craig
and
T.
Thirunamachandran
,
Molecular Quantum Electrodynamics: An Introduction to Radiation-Molecule Interactions
,
Dover Books on Chemistry Series
(
Dover Publications
,
1998
).
54.
C.
Fábri
,
A.
Csehi
,
G. J.
Halász
,
L. S.
Cederbaum
, and
Á.
Vibók
,
AVS Quantum Sci.
6
,
023501
(
2024
).
55.
H.-J.
Werner
,
P. J.
Knowles
,
G.
Knizia
,
F. R.
Manby
,
M.
Schütz
et al,
Molpro, version 2018, a package of ab initio programs
,
2018
, https://www.molpro.net.
56.
J. F.
Triana
,
D.
Peláez
, and
J. L.
Sanz-Vicario
,
J. Phys. Chem. A
122
,
2266
(
2018
).
57.
T. S.
Rose
,
M. J.
Rosker
, and
A. H.
Zewail
,
J. Chem. Phys.
91
,
7415
(
1989
).
58.
H.-D.
Meyer
,
U.
Manthe
, and
L. S.
Cederbaum
,
Chem. Phys. Lett.
165
,
73
(
1990
).
59.
U.
Manthe
,
H.-D.
Meyer
, and
L. S.
Cederbaum
,
J. Chem. Phys.
97
,
3199
(
1992
).
60.
M.
Beck
,
A.
Jackle
,
G.
Worth
, and
H.-D.
Meyer
,
Phys. Rep.
324
,
1
(
2000
).
61.
A. D.
Hammerich
,
U.
Manthe
,
R.
Kosloff
,
H.-D.
Meyer
, and
L. S.
Cederbaum
,
J. Chem. Phys.
101
,
5623
(
1994
).
62.
A.
Raab
,
G. A.
Worth
,
H.-D.
Meyer
, and
L. S.
Cederbaum
,
J. Chem. Phys.
110
,
936
(
1999
).
63.
O.
Vendrell
,
F.
Gatti
, and
H.-D.
Meyer
,
J. Chem. Phys.
127
,
184303
(
2007
).
65.
J. F.
Triana
and
J. L.
Sanz-Vicario
,
Phys. Rev. Lett.
122
,
063603
(
2019
).
66.
J. F.
Triana
and
F.
Herrera
,
New J. Phys.
24
,
023008
(
2022
).
67.
C.
Fábri
,
A. G.
Császár
,
G. J.
Halász
,
L. S.
Cederbaum
, and
Á.
Vibók
,
J. Chem. Phys.
160
,
214308
(
2024
).
68.
J. F.
Triana
and
F.
Herrera
,
J. Chem. Phys.
157
,
194104
(
2022
).
69.
D. E.
Mann
,
B. A.
Thrush
,
D. R.
Lide
,
J. J.
Ball
, and
N.
Acquista
,
J. Chem. Phys.
34
,
420
(
1961
).
70.
W.
Ahn
,
J. F.
Triana
,
F.
Recabal
,
F.
Herrera
, and
B. S.
Simpkins
,
Science
380
,
1165
(
2023
).
71.
R. J.
Sension
,
A. Z.
Szarka
, and
R. M.
Hochstrasser
,
J. Chem. Phys.
97
,
5239
(
1992
).
72.
T.
Jaako
,
Z.-L.
Xiang
,
J. J.
Garcia-Ripoll
, and
P.
Rabl
,
Phys. Rev. A
94
,
033850
(
2016
).
73.
J. J.
García-Ripoll
,
B.
Peropadre
, and
S.
De Liberato
,
Sci. Rep.
5
,
16055
(
2015
).
74.
G.
Díaz-Camacho
,
A.
Bermudez
, and
J. J.
García-Ripoll
,
Phys. Rev. A
93
,
43843
(
2016
).
75.
E.
Sánchez-Burillo
,
L.
Martín-Moreno
,
J. J.
García-Ripoll
, and
D.
Zueco
,
Phys. Rev. Lett.
123
,
013601
(
2019
).
76.
F.
Herrera
and
F. C.
Spano
,
Phys. Rev. Lett.
116
,
238301
(
2016
).
77.
F.
Herrera
and
F. C.
Spano
,
Phys. Rev. A
95
,
053867
(
2017
).
78.
F.
Herrera
and
F. C.
Spano
,
ACS Photonics
5
,
65
(
2018
).
79.
D.
Xu
and
J.
Cao
,
Front. Phys.
11
,
110308
(
2016
).
80.
M.
Autore
,
P.
Li
,
I.
Dolado
,
F. J.
Alfaro-Mozaz
,
R.
Esteban
,
A.
Atxabal
,
F.
Casanova
,
L. E.
Hueso
,
P.
Alonso-González
,
J.
Aizpurua
,
A. Y.
Nikitin
,
S.
Vélez
, and
R.
Hillenbrand
,
Light: Sci. Appl.
7
,
17172
(
2018
).
81.
M.
Lednev
,
F. J.
García-Vidal
, and
J.
Feist
,
Phys. Rev. Lett.
132
,
106902
(
2024
).
82.
D. G.
Baranov
,
B.
Munkhbat
,
E.
Zhukova
,
A.
Bisht
,
A.
Canales
,
B.
Rousseaux
,
G.
Johansson
,
T. J.
Antosiewicz
, and
T.
Shegai
,
Nat. Commun.
11
,
2715
(
2020
).
83.
D.
Yoo
,
F.
de León-Pérez
,
M.
Pelton
,
I.-H.
Lee
,
D. A.
Mohr
,
M. B.
Raschke
,
J. D.
Caldwell
,
L.
Martín-Moreno
, and
S.-H.
Oh
,
Nat. Photonics
15
,
125
(
2021
).
You do not currently have access to this content.