Simulations numériques et réalité expérimentale en chimie quantique: qui croire?

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1 Simulations numériques et réalité expérimentale en chimie quantique: qui croire? Gabriel Turinici Université Paris Dauphine Fondation Sciences Mathématiques de Paris, Sept. 2007

2 Pourquoi la chimie Biologie Fig.: Mieux que nos cellules photo-voltaïques (8% 20%), les plantes savent transformer plus de 95% de l énergie solaire en énergie chimique, qui est à la base de tous les organismes vivants. Une étude récente (Nature 446, ) montre l importance des effets quantiques (cohérence). Source de l image : http ://

3 Pourquoi la chimie Médecine Fig.: L adenine, une des molécules qui codent l information génétique de notre ADN. Les simulations numériques permettent de prédire la disposition des noyaux et des électrons.

4 Pourquoi la chimie Énergie mécanique Fig.: Une importante partie de l énergie mécanique utilisée par l homme est toujours d origine chimique. Source des images : http ://

5 Questions comment comprendre les résultats des expériences de laboratoire, comment les étendre? prévoir ce qu une molécule (protéine, médicament,...) fera dans une situation spécifique (e.g. un maladie pour un patient, conditions spécifiques pour un avion etc) étudier des phénomènes inaccessibles à l expérience : prévision en temps long (e.g., le vieillissement des centrales nucléaires) où dans des conditions originales (dans les étoiles,...) ; Outils complémentaires aux expériences de laboratoire : les études théoriques et les simulations numériques.

6 Équation de Schrödinger Équation de Schrödinger dépendante du temps { i t Ψ(x, t) = H(t)Ψ(x, t) Ψ(x, t = 0) = Ψ 0 (x). Inconnue : Ψ(x, t) (mais peut-être aussi H(t)). Pour une seule particule (Annalen der Physik, 1926) H(t) = 2 2x 2 + V (x, t). Version indépendante du temps : HΨ(x) = EΨ(x), E R. Remarque : c est une équation sans solution analytique générale et difficile à résoudre numériquement.

7 Chercheurs Chercheurs en IdF CEREMADE (Paris Dauphine/ CNRS ) : J. Dolbeault, M. J. Esteban, G. Legendre, J. Salomon, E. Séré, G. Turinici Univ. Cergy et CNRS : M. Lewin Collège de France et CEREMADE : P.L. Lions CMLA (Cachan) : K. Beauchard ENPC / INRIA : C. Le Bris, E. Cancès, G. Stoltz,... ENSMP : P. Rouchon INRIA : M. Mirrahimi Laboratoire J.-L. Lions (Univ. Paris VI,VII) : X. Blanc, Y. Maday, Th. Cazenave,... Orsay (Univ. Paris XI) : J-M. Coron,... Univ. Versailles St-Quentin : J-P. Puel...

8 Thèmes de recherche Thèmes de recherche calculs de structure électronique chimie quantique relativiste dynamique, contrôle par laser, détection et inversion Projets de recherche : projet ANR ACCQUAREL, projet ANR C-QUID, programme PICS CNRS-NSF Contrôle quantique, projet MicMac@INRIA Rocquencourt.

9 Contrôle de la dynamique Fig.: Le but n est pas seulement de contempler et comprendre mais d agir, i.e. de contrôler les phénomènes dynamiques. Ici l exemple d un laser optimisé pour choisir entre les réactions possibles. Science, 292 : , 2001

10 Détection et inversion Fig.: Lorsque la molécule (caratérisée par son Hamiltonien H(t)) n est pas connue il est possible de l identifier grâce à des expériences et calculs numériques couplées avec le contrôle. Ici nous avons un exemple de détection en atmosphère ; le laser est optimisé pour avoir une intensité optimale à la cible et donner des informations sur les molécules présentes. Science, 301, 61 64