Modélisation et manipulation du couplage fort vibrationnel – MoMaVSC

L’objectif de ce projet est de décrire à l’échelle atomique comment la réactivité chimique est modifiée par le couplage de vibrations moléculaires avec le champ quantique électromagnétique d’une micro-cavité. Pour cela, nous développerons une approche par simulation moléculaire quantique du système et de la cavité. Des expériences utilisant des dispositifs micro-fluidiques seront aussi réalisées afin d’examiner le rôle des différents paramètres caractérisant le couplage lumière-matière.

Des expériences récentes ont en effet montré que des réactions chimiques a` l’état fondamental peuvent être modifiée de façon surprenante par le couplage de vibrations moléculaires avec le champ quantique électromagnétique d’une micro-cavité (cavité Fabry-Perot), dans un régime dit de couplage vibrationnel fort . A la fois les constantes de réaction mais aussi la sélectivité peuvent être influencée par ce couplage fort. Les premières applications ont été dans le domaine de la chimie organique mais il a été démontré qu’une réaction enzymatique pouvait aussi être influencée dans ce régime de couplage vibrationnel fort

Le présent projet a pour but de mieux comprendre l’influence de ces états hybrides lumière-matière sur la réactivité chimique à travers un double effort, théorique et expérimental. Nous proposons une extension de la modélisation par intégrales de chemins pour décrire le couplage des vibrations moléculaires avec un mode de cavité en résonnance pour une assemblée de répliques du système. Ces simulations seront mises au point sur des systèmes modèles puis appliqués à des représentations atomiques réalistes. En parallèle, des expériences de micro-fluidique avec des dispositifs spécialement conçus pour une utilisation aisée seront menées.

Les simulations viseront deux aspects en particulier de la cinétique (et sélectivité) chimique : le transfert d’énergie vibrationnel et la barrière d’activation. Pour étudier le transfert d’énergie vibrationnel, les simulations permettront d’identifier comment le couplage vibrationnel fort modifie le flot d’énergie vibrationnelle. Le calcul de surfaces d’énergie libre permettra en revanche de déterminer l’impact du couplage fort sur la barrière d’activation. La combinaison de ces deux aspect, grâce aux théories cinétiques de type Kramers ou Grote-Hynes rendra possible l’interprétation de l’origine de la modification de la réactivité par le couplage fort.

Des expériences seront conduites pour accompagner ces développements théoriques en vue de comprendre l’impact des différents paramètres physico-chimiques dans le régime de couplage fort. Le dispositif micro-fluidique sera optimisé afin d’être simple d’emploi avec pour objectif de généraliser cette nouvelle approche comme méthode catalytique. Dans ce contexte, les développements théoriques permettront de disposer d’une boîte à outils pour décrire chaque réaction d’intérêt.


Ainsi un produit de ce projet sera-t-il la distribution d’un code pour la simulation atomistique dans le régime de couplage vibrationnel fort. Ce code sera suffisamment portable pour être couplé avec les plateformes logiciels de chimie quantique et dynamique moléculaire.

Au final, ce projet vise à étendre la boîte à outil du chimiste pour manipuler les réactions chimique de manière non-invasive et sans apport d’énergie externe.