Le bain thermique quantique adaptatif pour le traitement quantique des noyaux

Simulation d’eau liquide

Dans la modélisation de la matière à l’échelle atomique, si le comportement des électrons est décrit par les lois de la mécanique quantique, les noyaux atomiques, plus lourds, sont souvent assimilés à des objets classiques, obéissant aux lois de Newton. Cette approximation simplifie grandement les simulations mais elle peut conduire à des erreurs non négligeables, en particulier lorsque des atomes légers tels que l’hydrogène sont impliqués. Certains phénomènes, comme les effets isotopiques, échappent même entièrement à une description classique des noyaux. Pour y remédier, des chercheurs de  l’équipe « Oxydes en basses dimensions » de l’INSP en collaboration avec le laboratoire de Chimie Théorique de Sorbonne Université, viennent d’améliorer une méthode récemment développée, le bain thermique quantique (QTB) adaptatif, qui permet un traitement quantique des noyaux pour un coût de calcul proche de celui d’une simulation classique. Ils montrent que le QTB adaptatif est capable de saisir les effets quantiques subtils présents dans l’eau liquide, ce qui ouvre des perspectives prometteuses, notamment pour la modélisation quantique des liaisons hydrogène dans la matière biologique.

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Légende : Simulation d’eau liquide 

En haut : fonctions de distribution radiale obtenues par différentes méthodes de dynamique moléculaire, classique ou quantiques. Le QTB adaptatif (adQTB) coïncide avec le résultat quantique de référence (intégrales de chemin, PIMD), ce qui n’est le cas ni de la simulation classique, ni de la simulation QTB standard. 

En bas : spectres d’absorption infrarouge correspondants. L’encart montre une résonance anharmonique que seul l’adQTB permet de décrire correctement alors que les simulations classiques ou TRPMD (basées sur les intégrales de chemin) en sous-estiment fortement l’amplitude.

Référence

« Nuclear Quantum Effects in Liquid Water at Near Classical Computational Cost Using the Adaptive Quantum Thermal Bath »

Nastasia Mauger, Thomas Plé, Louis Lagardère, Sara Bonella, Étienne Mangaud, Jean-Philip Piquemal, Simon Huppert

The Journal of Physical Chemistry Letters, 12 (34), 8285 (2021)

Article

Simon Huppert : huppert(at)insp.jussieu.fr

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