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Equipe
- Membre permanent : Alex Chin
- Doctorant : Brieuc Le Dé
Les systèmes quantiques sont en principe caractérisés à travers le comportement idéalisé d’un certain nombre d’excitations actives et contrôlables (électrons, excitons… et leur degré supplémentaire de spin). Cependant, dans tous les systèmes réels, les variables décrivant ces excitations sont inévitablement couplées (ou « ouvertes au couplage ») à un nombre beaucoup plus important d’excitations environnementales « incontrôlables », comme les phonons ou les photons du « bain ambiant » (les systèmes sont alors dits systèmes quantiques ouverts). Ces interactions conduisent à l’émergence de dynamiques quantiques irréversibles, telles que la décohérence et la thermalisation et sont fortement impliquées dans la transition de la physique quantique à la physique classique.
Dans le contexte des technologies quantiques en phase solide, ces interactions sont hautement indésirables, et une compréhension microscopique de la physique des systèmes ouverts est nécessaire pour atténuer les influences délétères de l’environnement. D’autre part, les dispositifs à l’échelle nanométrique capables de collecter de l’énergie doivent nécessairement être ouverts aux sources et puits d’énergie, ou à d’autres systèmes ou milieux actifs impliquant des échanges à l’échelle d’entités quantiques bien définies et identifiables. Ceci est illustré de manière frappante par le cas des protéines d’origine biologique impliquées dans la photosynthèse, où les propriétés optoélectroniques sont déterminées à la fois par la sous structure de la protéine et la dynamique quantifiée du bain des vibrations moléculaires.
Notre groupe développe les méthodes numériques avancées et le corpus théorique permettant de décrire la physique riche et mal comprise des systèmes quantiques ouverts dans le contexte caractéristique des nanomatériaux organiques. En étroite collaboration avec les experts des spectroscopie et microscopie ultrarapides, nous explorons comment les processus fondamentaux de couplage système-environnement pourraient être exploités et même façonnés pour des applications optimisées ou renouvelées, en particulier dans le cadre de l’élaboration de matériaux de nouvelle génération pour la conversion d’énergie.
Figure 1 : Les organismes photosynthétiques utilisent des protéines pour contrôler les interactions moléculaires et dissiper l’énergie nécessaire pour guider les photo-excitons jusqu’aux centres où ils sont dissociés (sous forme de paires électron-trou « réactives »). Un processus similaire est à l’œuvre dans les matériaux organiques des cellules solaires, mais il est souvent beaucoup moins efficace.
Figure 2 : Dans notre approche « tensor network » (par « réseau de tenseurs ») des systèmes ouverts, la fonction d’onde totale ie la fonction d’onde du système et de son environnement est représentée par un réseau d’objets voisins en interaction qui peuvent être stockés et régénérés efficacement. Cette approche permet de simuler la dynamique de très grands environnements et d’extraire, en temps réel, des informations très détaillées sur les corrélations entre les degrés de liberté du système et ceux de l’environnement.
Applications
- Théorie des excitations optiques intriquées dans les fils quantiques organiques (polymères conjugués) : description des systèmes fortement corrélés et application au design des cellules solaires de nouvelle génération (optimisation des rendements via le processus de « multiplication d’excitons »).
- Mise au point d’architectures pour l’exploitation des effets dissipatifs et non markoviens dans les nano-machines moléculaires ; application à la « collecte » de lumière, à la catalyse et aux capteurs.
- Compréhension des stratégies d’optimisation des transferts d’énergie dans les complexes de type protéines d’intérêt optoélectronique.
Techniques de théorie fondamentale
- Méthodes de type « Tensor Network », algorithmes MPS et DMRG pour la simulation des dynamiques hors d’équilibre des systèmes quantiques ouverts ;
- Équations maîtresses et propagateurs numériques d’intégrale de chemin (TEMPO) pour l’étude de la dissipation non markovienne (avec B. Lovett, Université de Saint Andrews).
- Méthodes ab initio de type GW, BSE, TD-DFT, et dynamique moléculaire pour la description des interaction électron-phonon et la description des états excités dans les systèmes moléculaires (avec M. Calandra et Ludger Wirtz).
Publications récentes
- Optical Projection and Spatial Separation of Spin-Entangled Triplet Pairs from the S1 (21Ag–) State of Pi-Conjugated Systems Pandya et al. Chem 6 (10), 2826 (2020) https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2451929420304757
- A molecular movie of ultrafast singlet fission Schnedermann et al. Nature communications 10 (1), 1 (2019) https://www.nature.com/articles/s41467-019-12220-7
- Tensor network simulation of multi-environmental open quantum dynamics via machine learning and entanglement renormalisation Schröder et al. Nature communications 10 (1), 1062 (2019) https://www.nature.com/articles/s41467-019-09039-7
Faits marquants
Actualités INP CNRS (octobre 2019) : « Une nouvelle stratégie de simulation pour prédire la dynamique de molécules complexes
