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Spectra of Molecules in Strong Magnetic Fields

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Des simulations quantiques révèlent le comportement exotique des électrons dans des champs magnétiques extrêmes

Les champs magnétiques ultrapuissants qui entourent les naines blanches peuvent amener les électrons assurant les liaisons chimiques à se comporter de manière inhabituelle. De nouvelles méthodes de calcul donnent un premier aperçu des propriétés spectrales et chimiques des éléments dans des champs magnétiques 100 à 1 000 fois plus puissants que ceux créés sur Terre.

Recherche fondamentale
Espace

Les champs magnétiques des naines blanches peuvent atteindre environ 100 000 T, des chiffres impressionnants impossibles à reproduire en laboratoire. La compréhension théorique détaillée des champs intenses et les instruments de calcul capables de les modéliser contribuent à la précision de calcul du comportement des champs faibles, qui est essentielle pour stimuler non seulement la recherche scientifique, mais aussi les applications dans le monde réel. «Les champs magnétiques créés en laboratoire, bien que très faibles, suffisent à affecter les liaisons chimiques des petites molécules. Cependant, il existe un mécanisme d’effet de taille qui associe l’impact des champs forts sur les petites molécules à celui des champs beaucoup plus faibles sur les grandes molécules», explique Erik Tellgren, coordinateur de MAGSPEC – un projet qui a été financé dans le cadre du programme Actions Marie Skłodowska-Curie.

Dynamique des électrons dans des champs magnétiques constants et variables

«La chimie et la physique moléculaire peuvent différer radicalement en présence d’un champ magnétique puissant. Les états électroniques peuvent changer de caractère. Nous avons développé avec succès des méthodes de chimie numérique pour étudier les états excités et les caractéristiques du spectre d’émission», fait remarquer Erik Tellgren. L’équipe a dérivé des équations de travail qui étendent la fonctionnalité de LONDON, un progiciel utilisant des orbitales atomiques gaussiennes de type London pour simuler des systèmes moléculaires dans des champs magnétiques puissants. Les chercheurs ont également utilisé leur code pour simuler les états excités des électrons dans de petites molécules soumises à des champs magnétiques constants (uniformes) ou variables. «Les champs magnétiques qui varient dans l’espace pourraient donner lieu à des phénomènes exotiques qui imitent les effets de la relativité restreinte», ajoute Erik Tellgren. «Les résultats de l’étude illustrent la manière dont un champ magnétique variable provoque une interaction spin-orbite, une interaction relativiste du spin de l’électron avec son mouvement.»

Des électrons qui enfreignent les lois de la chimie connue

Les chercheurs ont adapté un modèle connu sous le nom de théorie de Hartree-Fock pour décrire les états fondamentaux des électrons et ont adapté l’approximation de phase aléatoire aux champs magnétiques forts pour décrire les états excités. Les résultats ont révélé que lorsque l’intensité du champ augmentait, les états fondamentaux passaient d’un singulet à couche fermée à des états de plus haute multiplicité. Les états excités se sont révélés plus sensibles aux changements de champ magnétique. Soumises à des champs plus faibles les molécules polaires comme l’hydrure de lithium étaient davantage susceptibles de changer d’état électronique. Un mécanisme intriguant qui pourrait être vérifié veut qu’un champ magnétique non uniforme induise des densités de spin non colinéaires, ce qui signifie que la direction du spin varie dans l’espace pour s’aligner sur le champ magnétique local. Si seuls les effets du champ magnétique intervenaient, cet alignement aurait été parfait. Mais puisque les électrons interagissent entre eux et avec les noyaux atomiques, l’alignement réel est le fruit d’une compétition complexe entre les forces magnétiques et les effets chimiques. Les forces magnétiques rompent également les symétries qui s’appliquent généralement aux spins des électrons. Par conséquent, les transitions entre l’état fondamental et l’état excité, normalement interdites en raison de symétries de spin incompatibles, sont désormais permises. Les chercheurs ont également étudié la manière dont les champs magnétiques non uniformes induisent une propriété exotique connue sous le nom de moment dipolaire toroïdal dans l’état fondamental et ont étudié les contributions correspondantes du spin et du mouvement orbital. En élargissant la portée initiale du projet, les chercheurs ont cherché à adapter et à affiner l’une des méthodes de calcul les plus populaires – la théorie de la fonctionnelle de la densité – pour les molécules exposées à des champs magnétiques puissants. «Nos recherches fournissent des aperçus alléchants de la chimie exotique des atomes et des molécules dans les champs magnétiques puissants, tout en constituant un test de résistance pour la chimie quantique. Une meilleure compréhension de la façon dont les champs magnétiques puissants affectent les atomes et les petites molécules pourrait également contribuer à interpréter les spectres magnétiques des naines blanches et à découvrir de nouvelles liaisons chimiques qui n’existent pas sur Terre», conclut Erik Tellgren.

Mots‑clés

MAGSPEC, champ magnétique, électron, naine blanche, petites molécules, liaisons chimiques, chimie numérique, interaction spin-orbite, chimie quantique

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