Nous avons relevé ces défis en utilisant des méthodes dites de Monte Carlo quantique (QMC), qui ont l’avantage d’être très précises pour la résolution de la partie électronique et, en même temps, adaptées à inclure les effets liés à la nature quantique des protons.
De plus, ces méthodes ont une excellente scalabilité avec le nombre de processeurs, propriété qui les rend idéales dans des environnements de calcul à haute performance (HPC), tels que ceux offerts par les centres GENCI. Grâce à l’utilisation aux méthodes QMC dans un environnement HPC, nous avons pu aborder deux problèmes majeurs, qui sont gouvernés par les effets quantiques nu- cléaires : la détermination de la pression de transition vers une phase atomique supraconductrice à température ambiante dans l’hydrogène solide [Nature Physics 19, 845 (2023)]* et la dépendance en température du taux de transfert de protons hydratés dans un cluster d’eau protonée [Nature Communications 14, 6930 (2023)]*.
Ces travaux ont été menés dans le cadre du centre d’excellence européen TREX et de l’équipe théo- rique de l’IMPMC, Sorbonne Université.
La raison de cette richesse repose dans la nature profondément quantique du noyau d’hydrogène, associée à des effets de corrélation électronique produisant de surfaces d’énergie potentielle complexes.
L’enjeu est alors de développer une approche numérique prédictive qui puisse prendre en compte les effets quantiques nucléaires aussi bien que ceux liés aux corrélations électroniques. Nous pourrions ainsi décrire des phénomènes tels que la supraconductivité, qui affiche les températures critiques les plus élevées pour certains hydrures, et le transfert de proton, qui joue un rôle fondamental dans la détermination des propriétés thermodynamiques de l’eau.
* Collaborateurs des deux articles cités : F. Mauri (La Sapienza, Rome), L. Monacelli (La Sapienza, Rome), T. Morresi (ECT*-Fondazione Bruno Kessler*, Trento), F. Mouhat (Saint Gobain Research Paris, Aubervilliers), K. Nakano (NIMS, Tsukuba), M. Peria (Sorbonne Université, Paris), A.M. Saitta (Sorbonne Université, Paris), S. Sorella (SISSA, Trieste), R. Vuilleu- mier (ENS Chimie, Paris).
Figure de gauche :
Diagramme de phase de l’hydrogène, en jaune la région de stabilité de la phase supraconductrice à haute température critique, qui devient favorable seulement au- dessus de 570 GPa.
Figure de droite :
Cluster d’eau protonée,
une des possibles configurations avec le graphe qui indique la fréquence de transfert de proton, en jaune, dont le pic est situé proche de la température ambiante.