Quand la physique nucléaire et la chimie progressent main dans la main
Publié par Adrien le 24/09/2019 à 08:00
Source: CEA

(c) berkay
Des théoriciens de la physique nucléaire de l'Irfu et des chimistes unissent leurs forces pour prédire avec précision les propriétés du noyau atomique et des molécules.

Pour décrire ab initio des molécules ou des noyaux atomiques, il faut résoudre une équation (En mathématiques, une équation est une égalité qui lie différentes quantités, généralement pour poser le problème de leur identité. Résoudre l'équation consiste à déterminer toutes...) fondamentale (En musique, le mot fondamentale peut renvoyer à plusieurs sens.) en mécanique quantique (Fille de l'ancienne théorie des quanta, la mécanique quantique constitue le pilier d'un ensemble de théories physiques qu'on regroupe sous l'appellation générale de physique quantique. Cette...), dite de Schrödinger. Or la puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) de calcul nécessaire pour trouver des solutions exactes de cette équation varie de façon exponentielle (La fonction exponentielle est l'une des applications les plus importantes en analyse, ou plus généralement en mathématiques et dans ses domaines d'applications. Il existe plusieurs...) avec le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de particules constituant le système, électrons pour les molécules et nucléons (protons et neutrons) pour les noyaux. Pour des noyaux composés de dizaines ou de centaines de nucléons, les physiciens recourent à des méthodes approximatives, à moindre coût en termes de calcul. Celles-ci souffrent cependant d'une restriction: elles ne s'appliquent qu'aux systèmes dits faiblement corrélés dont l'état énergétique fondamental est caractérisé par des "couches" pleines.

Pour lever cette difficulté, des chercheurs de l'Irfu ont mis au point (Graphie) un formalisme novateur permettant de disposer d'une méthode universelle s'appliquant aux systèmes faiblement ou fortement corrélés et qui fournit des solutions très précises de l'équation de Schrödinger (L'équation de Schrödinger, conçue par le physicien autrichien Erwin Schrödinger en 1925, est une équation fondamentale en physique quantique non-relativiste....).

Ils ont testé leur approche sur un problème modèle résolu par un physicien (Un physicien est un scientifique qui étudie le champ de la physique, c'est-à-dire la science analysant les constituants fondamentaux de l'univers et les forces qui les relient....) américain (Richardson, 1963): l'appariement des électrons dans un supraconducteur (Bardeen-Cooper-Schrieffer, BSC). L'intérêt de ce choix est qu'ils ont pu étudier le passage de l'état conducteur (système faiblement corrélé) à l'état supraconducteur (système fortement corrélé, "superfluide (La superfluidité est un état quantique de la matière qui a été découvert pour la première fois en 1937 par Pyotr Leonidovitch Kapitsa, simultanément avec, semble-t-il,...)"). Leur nouvelle méthode fournit des résultats exacts (énergies à l'état fondamental) à un coût modéré en capacité de calcul.

L'étape suivante consiste à mettre en oeuvre cette méthode pour calculer les propriétés ab initio des molécules et des noyaux atomiques indépendamment de leur caractère faiblement ou fortement corrélé.

Ces travaux ont été réalisés en collaboration avec des chimistes quantiques ab initio de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa...) Rice (Houston, États-Unis).

Références

Particle-number projected Bogoliubov coupled cluster theory. Application to the pairing Hamiltonian, Phys. Rev. C
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