Physico-chimie, nanoscience, et technologies quantiques

Les dernières avancées dans le domaine de la physico-chimie computationnelle permettent d’étudier des problèmes complexes qui sont seulement partiellement accessibles par l’expérience. Grâce à la puissance numérique actuelle des stations de calcul à haute performance, des simulations précises de la spectroscopie et de la réactivité des systèmes moléculaires de taille de plus en plus grande sont désormais possibles. Parmi les avantages des approches in silico sur l'expérience, il y a la possibilité d’une meilleure compréhension théorique des phénomènes étudiés, et la validation des méthodes et des procédures utilisées. De plus, la modélisation ab initio permet l’attribution correcte des spectres à haute résolution des molécules, ions et complexes de petite et moyenne taille, dans les milieux atmosphériques ou solvatés, et leur simulation pour des détections futures.

Les calculs quanto-mécaniques sont de plus en plus utilisés pour la conception et la description du comportement des matériaux. Avec ces outils il est possible, par exemple, de prévoir les propriétés chimiques, électromécaniques, optiques et thermodynamiques de ces systèmes à partir de l’échelle atomique.

Applications

Etude ab initio des systèmes isolés et environnés

Il s'agit d'une activité de recherche centrée sur la chimie théorique, la physique moléculaire et leurs applications en astrochimie, en chimie planétaire et dans l’étude des réactions élémentaires en phase homogène ou hétérogène. Ainsi, nos travaux portent sur la modélisation des propriétés spectroscopiques de systèmes moléculaires de petite et moyenne taille isolés ou dans un environnement (par exemple, en interaction avec une surface) et de leur réactivité. Il s’agit de

• Déterminer la structure électronique et ro-vibrationelle de ces systèmes moléculaires en vue de leur détection au laboratoire ou dans l’atmosphère ou dans les milieux astrophysiques. Nous traitons également des systèmes moléculaires qui sont d’intérêt environnemental ou biologique.
• Caractériser à l’échelle microscopique des interactions fortes (covalentes, ioniques) et faibles (liaison hydrogène, van der Waals) qui régissent la structure et la réactivité de tels systèmes.
• Valider les approches théoriques après comparaison avec les résultats expérimentaux les plus précis.

Capteurs et nanocapteurs

Il s'agit de prouver la reproductibilité et la fiabilité des nanocapteurs en s’appuyant sur trois axes :

• Fabriquer de façon reproductible – par la compréhension fine des procédés - des nanocapteurs innovants via des technologies « bas coût ».
• Evaluer et comprendre la fiabilité de ces objets mésoscopiques pour des applications réelles via :
  • La caractérisation et la modélisation multi-échelles et multiphysiques – y compris par le développement de nouveaux outils quand les outils existants ne suffisent pas.
  • Le déploiement terrain des technologies, supporté par les outils de l’Internet des Objets – souvent en partenariat avec des partenaires spécialisés.
• Améliorer leur conception, leurs performances et leur fiabilité par l’utilisation des outils de l’Intelligence Artificielle d’une façon compatible avec les contraintes des « Petites Données » (Small Data).

Technologies quantiques

Il s'agit d'exploiter la superposition et l’intrication quantique des états des systèmes physiques ou chimiques, permettant la conception de superordinateurs et de capteurs innovants, la simulation quantique d’atomes au sein de molécules et la sécurisation des communications. La puissance des ordinateurs quantiques permettrait de résoudre des problèmes majeurs dans plusieurs domaines comme la lutte contre le changement climatique. Ceci se décline dans les axes suivants :

• Recherche des meilleurs systèmes de séquestration et de conversion de CO₂
• Identification de procédés économiquement viables pour la production en parallèle de sous-produits utiles comme l'hydrogène ou le monoxyde de carbone.
• Atomes et molécules froides ((production, spectroscopies et collisions).
• Intelligence artificielle appliquée à l'activité biologique et au drug design.

Photonique quantique

La photonique quantique se trouve au coeur des “nouvelles" technologies quantiques. En effet, les lasers à puits quantiques ou à boîtes quantiques peuvent être explorés pour la génération des peignes de fréquences optiques, par exemple : ce concept peut améliorer largement les performances des capteurs à fibres optiques, en termes de sensibilité, résolution spatiale et portée maximale. Une collaboration a commencé dans cette direction entre le Laboratoire IMSE et TELECOM SudParis.