Des milliards d'interactions minuscules se produisent entre des milliers de particules dans chaque morceau de matière en un clin d'œil. Simuler ces interactions dans toute leur dynamique était considéré comme insaisissable, mais a maintenant été rendu possible par de nouveaux travaux de chercheurs d'Oxford et de Warwick.

Ce faisant, ils ont ouvert la voie à de nouvelles connaissances sur les interactions mutuelles complexes entre les particules dans des environnements extrêmes comme au cœur des grandes planètes ou de la fusion nucléaire par laser.

Des chercheurs de l'Université de Warwick et de l'Université d'Oxford ont développé une nouvelle façon de simuler les systèmes quantiques de nombreuses particules qui permet d'étudier les propriétés dynamiques des systèmes quantiques entièrement couplés à des ions en mouvement lent.

Effectivement, ils ont rendu la simulation des électrons quantiques si rapide qu'elle pourrait fonctionner extrêmement longtemps sans restrictions et que l'effet de leur mouvement sur le mouvement des ions lents serait visible.

Rapporté dans le journal Avancées scientifiques , il est basé sur une formulation alternative connue de longue date de la mécanique quantique (dynamique de Bohm), que les scientifiques ont désormais habilités à permettre l'étude de la dynamique des grands systèmes quantiques.

De nombreux phénomènes quantiques ont été étudiés pour une ou quelques particules en interaction, car de grands systèmes quantiques complexes surpassent les capacités théoriques et informatiques des scientifiques pour faire des prédictions. Ceci est compliqué par la grande différence d'échelle de temps sur laquelle les différentes espèces de particules agissent :les ions évoluent des milliers de fois plus lentement que les électrons en raison de leur masse plus importante. Pour surmonter ce problème, la plupart des méthodes impliquent le découplage des électrons et des ions et l'ignorance de la dynamique de leurs interactions, mais cela limite considérablement notre connaissance de la dynamique quantique.

Développer une méthode permettant aux scientifiques de prendre en compte l'intégralité des interactions électron-ion, les chercheurs ont relancé une ancienne formulation alternative de la mécanique quantique développée par David Bohm. En mécanique quantique, il faut connaître la fonction d'onde d'une particule. Il s'avère que le décrivant par la trajectoire moyenne et une phase, comme fait par Bohm, est très avantageux. Cependant, il a fallu une suite supplémentaire d'approximations et de nombreux tests pour accélérer les calculs aussi dramatiques que nécessaire. En effet, les nouvelles méthodes ont démontré une augmentation de la vitesse de plus d'un facteur 10, 000 (quatre ordres de grandeur), est encore cohérent avec les calculs précédents pour les propriétés statiques des systèmes quantiques.

La nouvelle approche a ensuite été appliquée à une simulation de matière dense chaude, un état entre les solides et les plasmas chauds, qui est connu pour son couplage inhérent de tous les types de particules et la nécessité d'une description quantique. Dans de tels systèmes, les électrons et les ions peuvent avoir des excitations sous forme d'ondes et les deux ondes s'influenceront mutuellement. Ici, la nouvelle approche peut montrer sa force et déterminer l'influence des électrons quantiques sur les ondes des ions classiques tandis que les propriétés statiques se sont avérées conformes aux données précédentes.

Les systèmes quantiques à N corps sont au cœur de nombreux problèmes scientifiques allant de la biochimie complexe dans nos corps au comportement de la matière à l'intérieur des grandes planètes ou même des défis technologiques comme la supraconductivité à haute température ou l'énergie de fusion qui démontre la gamme possible d'applications du nouvelle approche.

Pr Gianluca Gregori (Oxford), qui a mené l'enquête, a déclaré:"La mécanique quantique de Bohm a souvent été traitée avec scepticisme et controverse. Dans sa formulation originale, cependant, c'est juste une reformulation différente de la mécanique quantique. L'avantage de l'utilisation de ce formalisme est que différentes approximations deviennent plus simples à mettre en œuvre, ce qui peut augmenter la vitesse et la précision des simulations impliquant des systèmes à plusieurs corps."

Dr Dirk Gericke de l'Université de Warwick, qui a aidé à la conception du nouveau code informatique, a déclaré : « Avec cette énorme augmentation de l'efficacité numérique, il est désormais possible de suivre toute la dynamique des systèmes électron-ion en interaction totale. Cette nouvelle approche ouvre ainsi de nouvelles classes de problèmes pour des solutions efficaces, en particulier, où soit le système évolue, soit où la dynamique quantique des électrons a un effet significatif sur les ions plus lourds ou sur l'ensemble du système.

« Ce nouvel outil numérique sera un grand atout pour concevoir et interpréter des expériences sur la matière dense chaude. De ses résultats, et surtout lorsqu'il est combiné avec des expériences désignées, nous pouvons en apprendre beaucoup sur la matière des grandes planètes et sur la recherche sur la fusion laser. Cependant, Je crois que sa véritable force réside dans son universalité et ses applications possibles en chimie quantique ou dans les solides fortement entraînés."