QDDA — Dynamique Quantique de la Diffusion d’Adsorbats

Ce projet est une étude théorique de la dynamique d’une molécule adsorbée sur un substrat cristallin métallique. Depuis les travaux pionniers de Langmuir, nous savons que les processus d’adsorption jouent un rôle essentiel dans le cadre de la catalyse hétérogène. Le Prix Nobel de Chimie 2007, qui a été attribué à G. Ertl pour ses avancées expérimentales concernant, entre autres, la compréhension des étapes élémentaires de la synthèse de l’ammoniac sur le fer, a souligné l’importance de cette recherche pour la société mondiale. Néanmoins, cette compréhension reste phénoménologique: très peu d’études fondamentales fondées sur la dynamique quantique de l’adsorption moléculaire ont été réalisées à un niveau microscopique. Un aspect dynamique fondamental est la diffusion le long du substrat. Potentiellement la meilleure technique expérimentale d’étude de dette propriété des matériaux est fondée sur les expériences de spin-echo par diffusion de hélium-3. Ces expériences s’appuient sur l’analyse de deux grandeurs proposées par van Hove en 1954 : le facteur dynamique structurel (DSF) et sa transformée de Fourier, la fonction intermédiaire de diffusion (ISF). La détermination théorique des observables liées à ces fonctions est très difficile. Dans le projet précédant DYQUMA, une méthode purement quantique du calcul de taux de diffusion à partir de la DSF a été mis en place avec succès. Néanmoins, des controverses importantes dans l’interprétation de données expérimentales ont persisté et plusieurs questions demeurent encore sans réponse depuis cela, dont deux émergent : Comment évaluer théoriquement la fonction intermédiaire de diffusion (ISF), elle-même expérimentalement observable ? Quel est le rôle précis des durées de vie des états vibrationnellement excités des adsorbats, dont l’existence est due au couplage avec les phonons ou des pairs électron-trous ? Des réponses pertinentes à ces questions nous permettront de résoudre les controverses qui persistent ; elles vont paver le chemin pour de futures recherches en science de surface et guider les processus catalytiques ; elles auront par conséquent une pertinence technologique importante tant dans la phase gazeuse que dans le domaine de la catalyse hétérogène et la chimie des surfaces. Nous allons nous concentrer sur l’approche microscopique, quantitative et rigoureuse d’une certaine classe de systèmes importants. Les différents paramètres qui peuvent influer sur la physique du processus seront pris en compte de façon assez complète. Dans ce projet, la dynamique des atomes et molécules adsorbés sera traitée quantiquement. La compréhension des effets quantiques est fortement susceptible de déboucher sur des applications technologiques dans les domaines mentionnés ci-dessus. Deux difficultés théoriques majeures seront abordées : tout d’abord il faut calculer la dynamique dans des espaces de hautes dimensionnalités; le défi réside dans la densité d’états vibrationnels qui augmente rapidement en raison des basses énergies liées au mouvement frustré de translation parallèle au substrat bien comme des rotations frustrées des molécules adsorbées; puisque des calculs de premier principe des surfaces de potentiel sont extrêmement difficiles dans la limite où une molécule se trouve tout seule sur le substrat, la modélisation de la dynamique quantique représente un défi formidable. De plus, afin d'étudier de façon réaliste la dynamique même d'une seule particule adsorbée, il est nécessaire de considérer en outre les couplages au quasi-continuum d'état électroniques du substrat, le couplage aux phonons de celui-ci et, potentiellement, d'autres couplages non-adiabatiques aux états électroniques excités de l'adsorbat. Dans ce projet, nous allons nous lancer à l’assaut de tous ces défis.