QuVET : 4 universités US pour percer les secrets quantiques

Le physicien Nathaniel Gabor de l’Université de Californie à Riverside a reçu une subvention de 7,5 millions de dollars du Département de la Défense (DoD) pour développer un centre d’Initiatives de Recherche Universitaire Multidisciplinaire (MURI) sur le campus. Appelé QuVET pour le Centre de Vibronique Quantique en Énergie et en Temps, les co-chercheurs principaux du centre sont des scientifiques de premier plan à l’UCR, au Caltech, au MIT et à l’Université Columbia.

« Vibronique« , un mot-valise composé de vibrationnel et électronique, fait référence aux transitions entre les états d’énergie moléculaire. Le comportement vibronique est au cœur des systèmes biologiques et matériels et pourrait avoir un impact sur l’efficacité de la récolte d’énergie des technologies futures. Les effets vibroniques – transitions vibrationnelles qui accompagnent les transitions électroniques – se produisent dans des systèmes allant des antennes photosynthétiques de collecte de lumière aux gaz moléculaires et aux matériaux à l’état solide.

Nathaniel Gabor, professeur de physique et d’astronomie et chercheur principal de la subvention de cinq ans, pense que le partenariat solide avec les laboratoires du DoD et l’industrie positionnera QuVET pour être un épicentre scientifique et technologique de la vibronique quantique. Il a déclaré que la science visionnaire que représente QuVet pourrait placer l’UCR à la tête d’une nouvelle ère de la science, où la biologie, la physique et la chimie sont explorées à travers le prisme de la mécanique quantique.

« C’est la science à son meilleur, attirant beaucoup d’attention positive sur l’UCR« , a déclaré Shan-Wen Tsai, président du Département de Physique et d’Astronomie. « QuVet ouvrira de nombreuses bonnes opportunités de recherche pour nos étudiants de premier et de deuxième cycle.« 

Dans l’entretien suivant, Nathaniel Gabor, un leader dans les domaines des matériaux quantiques et de la recherche sur la collecte de lumière photosynthétique, discute de sa vision pour le nouveau centre qu’il dirigera. Vivek Aji, professeur de physique et d’astronomie à l’UCR et co-chercheur principal de la subvention, partage également ses réflexions.

Q : Sur quelles recherches QuVet se concentrera-t-il spécifiquement ?

Gabor : Aux échelles de longueur des atomes et des molécules, les vibrations atomiques peuvent fortement affecter le comportement ondulatoire (nature quantique) des électrons. Lorsque les vibrations et les électrons interagissent, le comportement résultant ne peut être décrit que comme vibronique. Nous avons réuni une équipe de physiciens, chimistes, biochimistes et biologistes pour relever trois défis critiques dans la réalisation de nouvelles technologies qui exploitent la mécanique quantique :

– Dans de nombreux systèmes moléculaires et matériels, les vibrations agissent pour retirer de l’énergie aux électrons, diminuant l’efficacité globale du transport d’énergie. Cependant, les organismes photosynthétiques se sont adaptés pour exploiter les vibrations afin d’améliorer le mouvement efficace de l’énergie. Dans de nouveaux systèmes moléculaires et matériels, pouvons-nous obtenir le même résultat que la photosynthèse afin d’améliorer le transport vers des efficacités optimales ?

– Le réglage de l’interaction entre le mouvement atomique et les états électroniques via un contrôle expérimental reste impossible, empêché par l’incapacité des scientifiques à concevoir des matériaux à l’échelle atomique. Les nouvelles stratégies biochimiques et les nouveaux matériaux peuvent-ils permettre un contrôle direct sur le comportement ondulatoire des excitations électroniques et vibrationnelles ?

– Les principes de conception n’existent pas pour les systèmes quantiques de nouvelle génération, qui mettent en œuvre de forts effets vibratoires. Comment pouvons-nous nous inspirer de la biologie pour développer de nouvelles technologies basées sur des états exotiques dans lesquels les vibrations affectent directement le comportement électronique ?

Q : Qu’impliquera la collaboration avec les scientifiques du Caltech, du MIT et de l’Université Columbia ?

Aji : L’équipe QuVET rassemble des chercheurs de premier plan dans des disciplines allant de la physique quantique (UCR et Columbia) et de la chimie quantique (Caltech et Columbia) à la biophysique, la biochimie (MIT et UCR) et les matériaux quantiques (Columbia et UCR). Chaque membre de l’équipe apporte une expertise unique qui couvre stratégiquement une large base scientifique. Étant donné que les objectifs du centre sont ambitieux et tentent de résoudre un problème transdisciplinaire majeur, il est important que chacun des membres de l’équipe soit un penseur créatif et un scientifique interdisciplinaire.

Q : Pourquoi est-ce le bon moment pour un centre comme celui-ci ?

Gabor : La compréhension théorique et le contrôle expérimental du comportement vibronique sont compliqués par la large gamme de processus physiques qui se produisent également dans des systèmes complexes, tels que les antennes moléculaires de collecte de lumière de la photosynthèse, où les effets vibroniques jouent les rôles les plus importants. En effet, un traitement quantique complet des effets vibroniques n’existe pas.

La biologie, la physique et la chimie convergent à l’échelle atomique et moléculaire, où la mécanique quantique devient beaucoup plus importante qu’à grande échelle. À mesure que nos technologies de recherche ont progressé – et que nous étudions collectivement les molécules et les matériaux à des échelles de plus en plus petites – de plus en plus d’études indiquent que la mécanique quantique est un moyen de comprendre les comportements émergents.

Récemment, il a été découvert que le mouvement vibratoire des atomes joue un rôle essentiel non seulement dans l’efficacité remarquablement élevée des organismes photosynthétiques, mais aussi dans l’efficacité du transfert d’énergie dans les matériaux électroniques. Nos projets sont parmi les premiers à explorer la capacité d’ingénierie de l’interaction entre le mouvement vibratoire et les états électroniques, annonçant une nouvelle ère de la science quantique.

Nous pensons que la vibronique quantique aura un impact majeur sur la science fondamentale et la technologie impliquant à la fois la biologie/biochimie des processus quantiques dans la détection de la lumière et la compréhension des nouvelles propriétés optoélectroniques dans les matériaux quantiques – deux domaines à la pointe de la recherche fondamentale au sein du DoD.

Q : Qu’est-ce qui distingue ce centre des autres centres similaires ailleurs ?

Aji : Actuellement, aucun autre centre ne se concentre fortement sur les effets vibroniques et les technologies futures possibles qui résulteraient d’une compréhension approfondie des phénomènes vibroniques quantiques.

QuVET adopte une approche multidisciplinaire très forte des défis que nous avons décrits ici. Les effets vibroniques se produisent à de nombreux endroits dans la nature et leur compréhension complète nécessite une combinaison très spéciale de personnes et d’expertise.

Q : Qu’espérez-vous que ce centre accomplira ?

Gabor : J’espère que ce centre marquera un pivot vers la science transdisciplinaire à l’UCR. Avec des ressources engagées judicieusement, l’UCR pourrait être le leader dans les sujets émergents où la mécanique quantique décrit l’interface entre la physique, la chimie, la biologie et l’ingénierie.