Une équipe de physiciens du Trinity College de Dublin a développé de nouveaux théorèmes de mécanique quantique qui améliorent la compréhension des paysages énergétiques des particules quantiques. Leurs recherches, qui contribuent à des simulations plus précises, offrent un potentiel de développement de matériaux technologiques verts.
Les physiciens du Trinity College de Dublin ont fait progresser la mécanique quantique, permettant de meilleures simulations et des percées potentielles dans les technologies vertes.
Comprendre les paysages énergétiques précis des particules quantiques peut améliorer considérablement la précision de simulations informatiques pour les sciences des matériaux. Ces simulations jouent un rôle essentiel dans le développement de matériaux avancés destinés à des applications en physique, en chimie et dans les technologies durables. Les recherches abordent des questions de longue date des années 1980, ouvrant la voie à des percées dans diverses disciplines scientifiques.
Un groupe international de physiciens, dirigé par des chercheurs du Trinity College de Dublin, a développé de nouveaux théorèmes en mécanique quantique qui expliquent les « paysages énergétiques » des collections de particules quantiques. Leurs travaux résolvent des questions vieilles de plusieurs décennies, ouvrant la voie à des simulations informatiques plus précises des matériaux. Cette avancée pourrait considérablement aider les scientifiques à concevoir des matériaux destinés à révolutionner les technologies vertes.
Les nouveaux théorèmes viennent d'être publiés dans la célèbre revue Lettres d'examen physique. Les résultats décrivent comment l'énergie des systèmes de particules (comme les atomes, les molécules et la matière plus exotique) change lorsque leur magnétisme et leur nombre de particules changent. Résolvant un problème ouvert important pour la simulation de la matière à l'aide d'ordinateurs, ce travail prolonge une série de travaux marquants commencés au début des années 1980.
Le travail combiné papier-crayon et informatique a été réalisé par Andrew Burgess, candidat au doctorat à la Trinity's School of Physics, en collaboration avec le Dr Edward Linscott, de l'Institut Paul Scherrer en Suisse, et le Dr David O'Regan, professeur associé de physique à Trinity.
Une illustration du paysage énergétique exact de l'atome d'oxygène, qui prend la forme d'une vallée carrelée, telle que décrite par la théorie de la mécanique quantique. Crédit : Dr David O'Regan, Trinity College Dublin.
Le rôle des simulations informatiques dans la science des matériaux
L'exploration et la compréhension des molécules et des matériaux à l'aide de la simulation informatique constituent un domaine de recherche mature et florissant. Elle bénéficie d'un long historique de succès depuis plusieurs décennies et plusieurs matériaux actuellement utilisés ont été développés à l'aide de telles simulations. Lors de l'étude des systèmes à l'échelle atomique, les équations qui décrivent les particules et leurs interactions sont celles de la mécanique quantique.
Ces équations sont très exigeantes et doivent être approximées pour des simulations pratiques. L'art de rendre ces approximations plus fiables, tout en gardant les coûts de calcul gérables, approche de ses 100 ans.ème Ce travail est de plus en plus guidé par la poignée de « conditions exactes » connues, c’est-à-dire des règles définies issues de la théorie quantique, comme celles que l’on trouve ici.
Le Dr David O'Regan et M. Andrew Burgess discutent de leur travail au Trinity College de Dublin. Crédit : Dr David O'Regan, Trinity College de Dublin.
Expliquant comment visualiser ce que l'équipe a découvert, le Dr David O'Regan dit : « Imaginez une vallée aux parois abruptes, où le sol n'est pas courbé mais plutôt constitué de tuiles angulaires, comme vous pourriez le voir dans un vieux jeu d'arcade où les images ont été réalisées à l'aide de polygones.
« Nous avons découvert que le profil de hauteur dans des vallées fracturées comme celle-ci représente l’énergie exacte d’ensembles isolés de particules, comme des molécules. Se diriger vers le haut de la vallée correspond à modifier le nombre d’électrons qui maintiennent la molécule ensemble, tandis que se déplacer vers chaque côté augmente son magnétisme. Ce travail complète la cartographie de cette vallée jusqu’aux états magnétiques élevés, en constatant que les parois de la vallée sont abruptes et inclinées. »
Aperçu des théorèmes de la mécanique quantique
Andrew Burgess, auteur principal, décrit plus en détail comment cette découverte a été faite : « Alors que je travaillais sur un autre problème, j’avais besoin de connaître la forme de cette vallée d’énergie pour les systèmes simples. En parcourant les recherches publiées, j’ai pu trouver de nombreux graphiques intéressants, mais à ma grande surprise, ils ne parvenaient pas à cartographier l’intégralité de la vallée. J’ai réalisé que les théorèmes de mécanique quantique existants pouvaient être utilisés pour des systèmes à un seul électron, comme l’hydrogène. atome« Cependant, pour les systèmes à deux électrons comme l’atome d’hélium, ces théorèmes ne m’apprenaient pas grand-chose sur les côtés de la vallée. Plus précisément, un théorème de la mécanique quantique connu sous le nom de condition de constance du spin était incomplet. »
Edward Linscott, du Laboratoire de simulation des matériaux du PSI, explique l’importance des résultats de l’équipe : « Comprendre la géographie de ce paysage énergétique peut paraître abstrait et ésotérique, mais en réalité, cette connaissance peut aider à résoudre toutes sortes de problèmes du monde réel. Lorsque nos collègues utilisent des simulations informatiques pour essayer de trouver des matériaux de nouvelle génération pour des panneaux solaires plus efficaces ou des catalyseurs pour une chimie industrielle plus économe en énergie, notre connaissance du paysage énergétique peut être intégrée dans les calculs qu’ils effectuent, ce qui rend leurs prévisions plus précises et plus fiables. »
Le Dr O'Regan a ajouté : « Les différences d'énergie et les pentes de ce paysage de vallée sous-tendent la stabilité de la matière, les interactions entre les matériaux et la lumière, les réactions chimiques et les effets magnétiques. Connaître l'aspect de la surface entière de la vallée, y compris à forte magnétisation, nous aide déjà à créer de meilleurs outils pour simuler des matériaux complexes, même lorsqu'ils ne sont pas magnétiques. »
« Ce travail est motivé par la nécessité de fournir une théorie et des méthodes de simulation améliorées pour le développement de matériaux destinés aux applications dans les domaines de l'énergie renouvelable et de la chimie. Lorsqu'une batterie se décharge, par exemple, certains atomes de métal modifient leur nombre de particules et leur magnétisme. Nous voyons ici que nous évoluons dans le même paysage de vallée et que c'est la chute de hauteur, pour ainsi dire, qui donne l'énergie que fournit la batterie. Il s'agit d'un exemple de simulation appliquée et de théorie quantique abstraite pratiquées côte à côte, chacune motivant et améliorant l'autre. »
En réfléchissant à la nature de ce type de recherche, M. Burgess a ajouté : « Cette interaction entre la théorie et la simulation pratique est ce que j’aime le plus dans ce domaine de recherche. Nous avons déjà développé une nouvelle méthode de modélisation des matériaux basée sur ces théorèmes et nous la testons sur les matériaux des cathodes de batteries. Il y a donc beaucoup de travaux passionnants en cours ! »
L’étude a été financée par le Conseil de recherche irlandais et le Fonds national suisse de la recherche scientifique.
