L'importance de la mémoire pour le mouvement atomique quantique sur les métaux
Nouvelles découvertes ayant des implications pour la catalyse hétérogène et le stockage de l'énergie
George Trenins et Mariana Rossi du groupe Lise Meitner à l'Institut Max Planck pour la structure et la dynamique de la matière (MPSD) ont mis au point une technique efficace pour simuler l'impact de la friction électronique sur le mouvement atomique quantique aux interfaces métalliques. En l'appliquant aux atomes d'hydrogène sur le cuivre, ils expliquent l'origine physique des taux de diffusion observés expérimentalement, offrant ainsi une nouvelle perspective qui a des implications pour la catalyse hétérogène et le stockage de l'énergie. Leurs travaux viennent d'être publiés dans Physical Review Letters (PRL).
La friction électronique est le principal mécanisme de dissipation d'énergie pour les atomes d'hydrogène diffusant sur les surfaces de cuivre. Dans le cadre de la théorie de l'intégrale des chemins, son influence sur les effets quantiques nucléaires est simulée avec des "polymères en anneau" (à gauche) qui se déplacent selon l'équation de Langevin généralisée (GLE). Le nouveau travail permet de telles simulations dynamiques pour des systèmes moléculaires complexes.
G. Trenins
Dans diverses applications technologiques liées à la production et au stockage d'énergie chimique, les atomes et les molécules diffusent et réagissent sur les surfaces métalliques. Il est essentiel de pouvoir simuler et prédire ce mouvement pour comprendre la dégradation des matériaux, la sélectivité chimique et l'optimisation des conditions des réactions catalytiques. Pour ce faire, il est essentiel de décrire correctement les éléments constitutifs des atomes : les électrons et les noyaux.
Un électron est incroyablement léger - sa masse est près de 2 000 fois inférieure à celle du noyau le plus léger. Cette disparité de masse permet aux électrons de s'adapter rapidement aux changements de position des noyaux, ce qui permet généralement aux chercheurs d'utiliser une description "adiabatique" simplifiée du mouvement atomique. Bien qu'il s'agisse d'une excellente approximation, dans certains cas, les électrons sont tellement affectés par les mouvements nucléaires qu'il faut abandonner cette simplification et tenir compte du couplage entre la dynamique des électrons et celle des noyaux, ce qui conduit à ce que l'on appelle les "effets non adiabatiques".
Un type d'effet non adiabatique particulièrement pertinent pour les métaux est appelé friction électronique. Il affecte les probabilités d'adhésion des atomes et des molécules aux métaux, la vitesse à laquelle ils dissipent l'énergie par les vibrations et la vitesse à laquelle ils se diffusent sur les surfaces métalliques. Si les noyaux étaient des particules classiques, ce phénomène pourrait être décrit comme une force de traînée exercée par les électrons sur les noyaux lorsqu'ils se déplacent dans un environnement métallique.
Cependant, les noyaux atomiques sont des objets quantiques dont le mouvement ne correspond pas à notre intuition quotidienne et qu'il est difficile de simuler sur un ordinateur. Contrairement aux objets classiques, les noyaux atomiques possèdent une énergie inhérente au point zéro, ce qui leur permet de s'échapper plus facilement d'un puits d'énergie potentielle. Ils peuvent également subir un effet tunnel quantique, quittant le puits même s'ils n'ont pas l'énergie suffisante pour surmonter la barrière qui les entoure. Ces effets modifient les taux de réaction chimique de plusieurs ordres de grandeur et doivent être pris en compte dans les simulations pour obtenir des informations physiques fiables.
Dans leurs travaux récents, George Trenins et Mariana Rossi ont réussi à combiner la friction électronique avec une méthodologie pratique pour simuler les effets quantiques nucléaires, basée sur la formulation path-integral de la mécanique quantique. Il est important de noter que leur approche permet de décrire des forces de frottement qui dépendent non seulement de l'état actuel des atomes, mais aussi de la trajectoire qu'ils ont suivie dans le passé. La combinaison de cette propriété, connue sous le nom de "mémoire", avec les effets de l'énergie du point zéro a permis aux chercheurs d'expliquer l'accord inattendu entre les simulations classiques antérieures et les résultats expérimentaux.
"Notre approche vise à obtenir la bonne réponse pour la bonne raison", explique M. Trenins. "En saisissant l'interaction entre les noyaux quantiques et la friction électronique, nous pourrons mieux comprendre les échanges d'énergie sur les surfaces conductrices et faciliter la conception de nouveaux catalyseurs hétérogènes, tels que les alliages à un seul atome et les matériaux bidimensionnels." Mariana Rossi ajoute : "Il est tout à fait passionnant de disposer d'une méthode qui peut être appliquée à des systèmes plus complexes dans toute leur dimensionnalité. Cela nous permettra d'explorer ces effets dans des systèmes qui, auparavant, ne se prêtaient pas à de telles simulations."
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