Des scientifiques américains simulent en temps réel le déplacement de dizaines de milliers d'électrons dans les matériaux

La recherche offre un aperçu de la dynamique hors équilibre et des états excités dans une gamme diversifiée de systèmes. 

(Photo : La modélisation en temps réel des réponses optiques dans les nanostructures à l'aide de RT-TDDFT permet d'interpréter, de comprendre et de guider les applications de nouvelle génération en science et technologie.)

Des scientifiques ont développé une simulation capable de prédire le déplacement de dizaines de milliers d'électrons dans les matériaux en temps réel, c'est-à-dire en temps naturel plutôt qu'en temps de calcul.

Développé par une équipe du Laboratoire national d'Oak Ridge du Département de l'Énergie, en collaboration avec l'Université d'État de Caroline du Nord, ce modèle associe l'expertise de l'ORNL en méthodes quantiques dépendantes du temps à la plateforme de simulation quantique avancée de la NCSU.

Les chercheurs ont révélé que ces derniers travaux sont essentiels à la conception de nouvelles technologies telles que les cellules photovoltaïques avancées et les systèmes d'information émergents.

Observer des milliers d'électrons en temps réel

Ils ont souligné qu'en observant directement des milliers d'électrons en temps réel, les scientifiques obtiennent des informations précieuses sur la façon dont les matériaux réagissent au niveau quantique.

Publiée dans le Journal of Chemical Theory and Computation, l' équipe a développé une capacité de théorie de la fonctionnelle de la densité en temps réel et dépendante du temps, ou RT-TDDFT, au sein du code open source Real-space Multigrid, ou RMG, pour modéliser des systèmes allant jusqu'à 24 000 électrons.

La RT-TDDFT est une méthode de mécanique quantique qui permet aux chercheurs de simuler la façon dont les électrons se déplacent et interagissent dans les matériaux au fil du temps, une fois excités par un stimulus externe. Elle fonctionne en calculant l'évolution de la densité électronique dans les matériaux en réponse à l'application de champs électriques et électromagnétiques (par exemple, la lumière). 

Évolution en temps réel des propriétés de la mécanique quantique

Les chercheurs ont souligné que le terme " temps réel, dépendant du temps " décrit l'évolution en temps réel de la fonction d'onde ou propriété de la mécanique quantique. 24 000 électrons représentent environ la même taille que le traitement de l'évolution temporelle de tous leurs électrons pour 4 000 atomes de carbone ou 2 400 molécules d'eau. 

" C'est comme regarder au ralenti tous les électrons d'un minuscule morceau de métal réagir à un éclair lumineux, mais à un niveau quantique incroyablement détaillé ", a déclaré Jacek Jakowski de l'ORNL.

" Nos calculs sont si volumineux qu'ils nécessitent l'un des supercalculateurs les plus rapides au monde pour les exécuter en temps réel. En capturant ces mouvements d'électrons à grande échelle, nous pouvons prédire le comportement de nouveaux matériaux, ce qui pourrait conduire à des cellules photovoltaïques plus performantes, des ordinateurs plus rapides et de meilleures technologies quantiques. "

La méthode offre un aperçu de la dynamique hors équilibre

L' étude a révélé que leur méthode offre un aperçu de la dynamique hors équilibre et des états excités dans une grande variété de systèmes, des petites molécules organiques aux grandes nanoparticules métalliques. Les résultats de l'analyse comparative démontrent une excellente concordance avec les implémentations TDDFT établies et mettent en évidence la stabilité supérieure de notre algorithme d'intégration temporelle, permettant des simulations à long terme avec une dérive énergétique minimale.

Les chercheurs ont également souligné que les nanoparticules métalliques, ou métaux de dimensions comprises entre 1 et 100 nanomètres, possèdent des propriétés optiques uniques, dues à la façon dont des milliers d'électrons interagissent avec la lumière incidente. Il est essentiel pour les chercheurs de comprendre le déplacement de ces électrons dans diverses conditions afin de faire progresser ces nouvelles technologies.

Le défi pour faire progresser ces technologies a été de capturer cette dynamique électronique ultra-rapide dans des matériaux réalistes à l'échelle nanométrique, ou des matériaux dont au moins une dimension est à l'échelle du nanomètre, selon un communiqué de presse.

Cette réalisation permet la conception de nouveaux matériaux dotés de propriétés optiques réglables.

L’étude a souligné que cette réalisation permet la conception de nouveaux matériaux dotés de propriétés optiques, électroniques et magnétiques réglables et ouvre la porte à de nouvelles innovations dans les dispositifs d’information optique et quantique.

" Ces développements sont très prometteurs pour la création de nouveaux dispositifs dotés de propriétés électroniques, optiques et magnétiques sur mesure ", a déclaré le professeur Bernholc. " À terme, nous espérons que notre approche en temps réel guidera les efforts expérimentaux et accélérera les avancées dans des domaines allant de la spintronique à l'informatique quantique. "

Les prochaines étapes du projet incluent la simulation de scénarios encore plus complexes pour découvrir une nouvelle physique dans les systèmes quantiques et l'amélioration de l'efficacité et de la précision pour gérer des simulations plus grandes et plus complexes, selon le communiqué .