Structure Électronique et Photodynamique des Atomes et Molécules

L’axe Etat solide : structure et propriétés vise à fédérer les activités du laboratoire autour de la description et de la compréhension de la matière condensée en phase solide.
Le regroupement de compétences diverses nous permet d’envisager l’émergence de projets originaux, tant au niveau des développements théoriques et méthodologiques que des applications.

Publications récentes:

Self-Consistent Potential Correction for Charged Periodic Systems
Mauricio Chagas da Silva, Michael Lorke, Bálint Aradi, Meisam Farzalipour Tabriz, Thomas Frauenheim, Angel Rubio, Dario Rocca, and Peter Deák
Physical Reviews Letters (2021) 126, 076401

Structure and Energetics of Dye-Sensitized NiO Interfaces in Water from Ab Initio MD and Large-Scale GW Calculations
Alekos Segalina, Sébastien Lebègue, Dario Rocca, Simone Piccinin, and Mariachiara Pastore
Journal of Chemical Theory and Computation (2021) 17, 5225–5238

Biofuel purification: Coupling experimental and theoretical investigations for efficient separation of phenol from aromatics by zeolites
Ibrahim Khalil, Hicham Jabraoui, Sébastien Lebègue, Won June Kim, Luis-Jacobo Aguilera, Karine Thomas, Françoise Maugé, Michael Badawi
Chemical Engineering Journal (2020) 402, 126264

Adsorption mechanisms of fatty acids on fluorite unraveled by infrared spectroscopy and first-principles calculations
Yann Foucaud, Juliette Lainé, Lev O Filippov, Odile Barrès, Won June Kim, Inna V Filippova, Mariachiara Pastore, Sébastien Lebègue, Michael Badawi
Journal of Colloid and Interface Science (2021) 583, 692-703

Calculating eigenvalues and eigenvectors of parameter-dependent Hamiltonians using an adaptative wave operator method
A. Leclerc; G. Jolicard
The Journal of Chemical Physics (2020) 152, 204107

Probing Electronic Fluxes via Time-Resolved X-Ray Scattering
G. Hermann; V. Pohl, G. Dixit; J.C. Tremblay
Physical Review Letters (2020) 124, 013002

Two-dimensional Sturmian basis set for bound state calculations
J.M. Randazzo; L.U. Ancarani
Advances in Quantum Chemistry (2019) 79, 79-95

Thèmes scientifiques :

Transport en présence de défauts topologiques :

Dans la matière condensée, les transitions de phase sont généralement associées à des brisures de symétrie.
Selon le schéma de brisure, différents types de défauts peuvent apparaître dans un cristal:

  • des défauts ponctuels (lacunes, défauts d’antiphase…)
  • des défauts linéaires (dislocations, disinclinaisons…)
  • des défauts surfaciques (joints de grain…)

Modèles analogues et géométrie différentielle :

Il existe une équivalence formelle entre la théorie de l’élasticité et la gravitation.
Dans la limite continue, un cristal présentant un défaut peut être décrit comme une variété de Riemann-Cartan.
Le défaut se comporte alors comme une singularité de courbure (cas des disinclinaisons) ou de torsion (cas des dislocations) : c’est le coeur des modèles de gravité analogue.
L’étude du transport en présence de défauts revient alors à étudier la dynamique (classique ou quantique) de particules (photons, électrons…) dans une géométrie non euclidienne, décrite par un tenseur métrique effectif, et à y déterminer par exemple :

  • les géodésiques (trajectoires suivies par des particules classiques)
  • les états stationnaires (problème quantique)
  • les couplages entre le spin et la géométrie (torsion)

    Méthodes ab initio pour la corrélation électronique

    Dans le cadre du théoreme de fluctuation-dissipation, l’énergie de correlation s’écrit :

    Approximations pour la fonction de réponse Πα :

    • Approximation de la phase aleatoire (RPA)

    Des méthodes allant au-delà de la RPA sont obtenues en approximant le kernel d’échange:

    • Adiabatic Connection Second Order Screened Exchange (AC-SOSEX)
    • Electron-Hole Time-Dependent Hartree-Fock (eh-TDHF)

    Ces formalismes permettent de réaliser des calculs d’une grande précision (proche de CCSD(T) pour des dimères et des énergies de réactions).

      Applications envisagées:

      • Zéolithes.
      • Structure des cristaux moléculaires.
      • Matériaux lamellaires : graphite etc..
      • Etude des états excités dans les cellules solaires à colorant.

        Matériaux bidimensionnels

        Les matériaux bidimensionnels possèdent des propriétés structurales, électroniques, et optiques particulières à la fois en sciences fondamentales mais aussi en vue d’applications pratiques.
        Cette activité comprend par exemple:

        Modèles de type liaisons fortes :

        • Paramétrisation des modèles sur des données ab-initio.
        • Transport électronique.

        Structure électronique de nouveaux matériaux 2D : InSe, In2Se3…

        • Hétérostructures : propriétés électroniques et optiques, effet de l’écrantage.
        • Défauts, fautes d’empilement, Moiré.

        Propriétés élastiques du graphite, h-BN etc.. :

        • Constantes élastiques au troisième ordre : RPA.
        • Dérivation de potentiels d’interaction simplifiés.

        Cristallographie quantique

        Cette activité de recherche est principalement focalisée sur le développement et l’application de méthodes qui combinent les techniques traditionnelles de la chimie théorique avec l’information fournie par données cristallographiques expérimentales.

        Approche de la “fonction d’onde expérimentale” de Jayatilaka :

        • Extension de la méthode à plusieurs déterminants de Slater et à différents sets de données expérimentales comme contraintes externes
        • Extraction des effets de corrélation électronique et de polarisations sur la densité électronique (proposition de nouvelles fonctionnelles).

        Méthodes quantiques pour affiner les structures cristallographiques de proteines :

        • Achèvement des librairies d’orbitales moléculaires extrêmement localisées (ELMOs).
        • Développement de méthodes à croissance linéaire exploitant la transférabilité des ELMOs pour l’affinement de structures cristallographiques

        Oscillations magnétiques

        En présence d’un champ magnétique B incliné de θ par rapport à la surface du conducteur, l’aimantation M ou la conductivité oscillent avec l’inverse de celui-ci : effet de Haas-van Alphen (dHvA) et Shubnikov-de Haas (SdH) .
        On peut évaluer à partir du spectre de Fourier les masses effectives m∗, le facteur de Landé g∗, l’aire de la surface de Fermi proportionnelle à la fréquence dominante F, ainsi que la mesure du désordre (température de Dingle).

         

        Etude des propriétés des surfaces de Fermi et des quasi-particules:

        • Organiques fortement 2D : κ-ET2Cu(SCN)2, θ-(ET)4MBr4(C6H4Cl2), M=Co,Zn
        • dHvA et SdH révèlent les fréquences cyclotroniques α, β et leurs harmoniques
        • Etude des fréquences non-classiques β −α et de leur amplitude

        Physique des collisions ionisantes et systèmes isolés

        Les membres de l’axe s’attachent à développer des méthodes de calcul originales et performantes pour la description de phénomènes fondamentaux d’interaction entre photons ou des particules chargées (en particulier des électrons) avec des atomes ou des molécules isolées.  Ils s’intéressent entre autres à la simple ou double ionisation d’atomes ou de molécules de complexité croissante par impact d’électrons ou de photons (photoionisation). Ces différents phénomènes sont principalement décrits par leurs sections efficaces multiplement différentielles, particulièrement utiles dans d’autres sous-domaines de la physique tels que l’astrophysique, la physique des plasmas ou encore la radiobiologie. Les travaux s’étendent également jusqu’à l’étude des résonances de photodissociation moléculaire en champ laser intense, avec des applications aux molécules froides.

        Visualisation de processus électroniques hors-équilibre

        L’étude de la réorganisation électronique dans la matière soumise à radiation est abordée par le développement de méthodes d’hydrodynamique quantique. Ceci permet l’étude de la dynamique électronique ultrarapide par des méthodes de fonctions d’onde à N-corps et leurs applications aux transferts d’énergie, au contrôle de la migration des charges à l’aide de champs électriques externes, et à l’élucidation des certains mécanismes réactionnels. Nous nous intéressons le développement de techniques pour l’analyse topologique de la réorganisation de la densité électronique dans les agrégats macromoléculaires et les états excitoniques.

        Photophysique et photodynamique

        Les phénomènes photochimiques et photophysiques, dus à l’absorption de la radiation lumineuse dans les domaines du visible et de l’ultraviolet, sont étudiés à l’aide d’approches statiques et de dynamique non-adiabatique. L’étude des matériaux pour la conversion d’énergie solaire est aussi menée à l’aide d’approches de physique des solides et des méthodes de chimie quantique périodique. Nous développons également, pour ce type de problèmes, des méthodes de dynamique semi-classiques basées sur le saut de surface (« surface hopping ») et la factorisation exacte de la fonction d’onde vibronique.

        Collaborations principales :

         

        Nationales
        IJB (Université de Lorraine), LCT (Paris), LNCMI (Toulouse), Besançon, Montpellier, Paris Cité, Paris Saclay, Strasbourg, Toulouse

        Internationales
        Slovaquie: Comenius University
        Suisse: Université de Berne
        Italie: CNR-Trieste
        Brésil: UFPB
        Russie: Chernogolovka
        Corée du sud: KAIST
        USA: UC Santa Cruz
        Algérie: Sétif
        Allemagne : Helmholtz Zentrum Berlin, Freie Universität Berlin
        Argentine: 
        Buenos Aires
        Autriche : Universität Wien
        Espagne : Universitat de Valencia, Universidad de Alcala de Hénares Madrid
        Inde: Indian Institute of Technology Bombay
        Italie : CNR Pisa, Universidad de Alcala de Hénares
        Suisse : University of Bern
        Turquie : Middle East Technical University Ankara