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Supercomputing simulations spot electron orbital signatures

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Des simulations de calcul intensif repèrent des signatures orbitales d'électrons

par l'Université du Texas à Austin

Images AFM de FePc et CoPc sur une surface de Cu(111). a Images expérimentales de décalage de fréquence AFM à hauteur constante (V = 0 V, amplitude de pointe = 100 pm) utilisant une pointe CO à une hauteur de pointe de -10 pm par rapport à notre point de consigne STM de 100 mV/100 pA. Les deux cercles blancs en pointillés mettent en évidence les principales différences entre ces deux molécules - l'atome de métal central. b Image AFM expérimentale filtrée par bords lumineux (basée sur a). c Images AFM simulées avec une pointe CO à une hauteur de pointe de −22 h (voir Informations supplémentaires pour la définition de la hauteur de pointe dans la simulation). Panneau de gauche : calculs DFT polarisés en spin ; panneau de droite : calculs DFT à paires de spins (indiqués par un exposant *). Sur la ligne médiane, les chiffres de type orbital sont les différences de densité électronique totale calculées entre MPc et M * Pc (MPc – M * Pc). Jaune : positif, cyan : négatif. Isovaleur : 0,003 e–/bohr3. d Largeur estimée (en pm) de la partie centrale du MPcs en fonction de l'intensité du signal—valeur I. La flèche blanche pointillée pointant de b à d indique une image agrandie de la partie centrale de la molécule FePc gauche. Les courbes blanches sont des valeurs I calculées le long des axes en pointillés correspondants. Les flèches bleues illustrent comment nous définissons la largeur du carré en fonction des valeurs I. Panneau supérieur : FePc (en bleu), panneau inférieur : CoPc (en rouge). Chaque MPc a deux largeurs et correspond à deux cercles. L'écart entre les deux lignes noires en pointillés (les cercles rouges les plus hauts et les bleus les plus bas) montre une différence minimale de 30 pm. Crédit : Nature Communications (2023). DOI : 10.1038/s41467-023-37023-9

Personne ne pourra jamais voir une construction purement mathématique telle qu'une sphère parfaite. Mais maintenant, les scientifiques utilisant des simulations de superordinateurs et des microscopes à résolution atomique ont imagé les signatures des orbitales d'électrons, qui sont définies par des équations mathématiques de la mécanique quantique et prédisent où l'électron d'un atome est le plus susceptible de se trouver.

Des scientifiques de l'UT Austin, de l'Université de Princeton et d'ExxonMobil ont observé directement les signatures des orbitales d'électrons dans deux atomes de métaux de transition différents, le fer (Fe) et le cobalt (Co) présents dans les phtalocyanines métalliques. Ces signatures sont apparentes dans les forces mesurées par les microscopes à force atomique, qui reflètent souvent les orbitales sous-jacentes et peuvent être ainsi interprétées.

Leur étude a été publiée en mars 2023 en tant que point culminant de la rédaction dans la revue Nature Communications.

"Nos collaborateurs de l'Université de Princeton ont découvert que bien que Fe et Co soient des atomes adjacents sur le tableau périodique, ce qui implique une similitude, les spectres de force correspondants et leurs images mesurées montrent des différences expérimentales reproductibles", a déclaré le co-auteur de l'étude, James R. Chelikowsky, du W.A. "Tex" Moncrief, Jr. Chair of Computational Materials et professeur aux départements de physique, de génie chimique et de chimie du Collège des sciences naturelles de l'UT Austin. Chelikowsky est également directeur du Center for Computational Materials de l'Oden Institute for Computational Engineering and Sciences.

Sans une analyse théorique, les scientifiques de Princeton n'ont pas pu déterminer la source des différences qu'ils ont repérées à l'aide de la microscopie à force atomique sans contact à haute résolution (HR-AFM) et de la spectroscopie qui mesuraient les forces à l'échelle moléculaire de l'ordre des piconewtons (pN), un billionième de Newton.

"Lorsque nous avons observé les images expérimentales pour la première fois, notre première réaction a été de nous émerveiller de la façon dont l'expérience pouvait capturer des différences aussi subtiles. Ce sont de très petites forces", a ajouté Chelikowsky.

"En observant directement les signatures des orbitales électroniques à l'aide de techniques telles que la microscopie à force atomique, nous pouvons mieux comprendre le comportement des atomes et des molécules individuels, et potentiellement même comment concevoir et fabriquer de nouveaux matériaux avec des propriétés spécifiques. Ceci est particulièrement important. dans des domaines tels que la science des matériaux, la nanotechnologie et la catalyse », a déclaré Chelikowsky.

Les calculs de structure électronique requis sont basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT), qui part de la mécanique quantique de base

et sert d'approche pratique pour prédire le comportement des matériaux.

"Notre contribution principale est que nous avons validé par nos calculs DFT dans l'espace réel que les différences expérimentales observées proviennent principalement des différentes configurations électroniques dans les électrons 3d de Fe et Co près du niveau de Fermi, l'état d'énergie le plus élevé qu'un électron peut occuper dans l'atome. ", a déclaré le co-premier auteur de l'étude, Dingxin Fan, un ancien étudiant diplômé travaillant avec Chelikowsky. Fan est maintenant associé de recherche postdoctoral au Princeton Materials Institute.

Les calculs DFT incluaient le substrat de cuivre pour les atomes Fe et Co, ajoutant quelques centaines d'atomes au mélange et appelant à un calcul intense, pour lequel ils ont reçu une allocation sur le supercalculateur Stampede2 au Texas Advanced Computing Center (TACC).

"En ce qui concerne notre modèle, à une certaine hauteur, nous avons déplacé la pointe de monoxyde de carbone de l'AFM sur l'échantillon et calculé les forces quantiques à chaque point de la grille dans l'espace réel", a déclaré Fan. "Cela implique des centaines de calculs différents. Les progiciels intégrés au Stampede2 de TACC nous ont aidés à effectuer l'analyse des données beaucoup plus facilement. Par exemple, le logiciel Visual Molecular Dynamics accélère l'analyse de nos résultats de calcul."

« Stampede2 a fourni une excellente puissance de calcul et une excellente capacité de stockage pour soutenir divers projets de recherche que nous avons », a ajouté Chelikowsky.

En démontrant que les signatures orbitales des électrons sont effectivement observables à l'aide de l'AFM, les scientifiques affirment que ces nouvelles connaissances peuvent étendre l'applicabilité de l'AFM dans différents domaines.

De plus, leur étude a utilisé une pointe de sonde moléculaire inerte pour approcher une autre molécule et mesurer avec précision les interactions entre les deux molécules. Cela a permis à l'équipe scientifique d'étudier des réactions chimiques de surface spécifiques.

Par exemple, supposons qu'un catalyseur puisse accélérer une certaine réaction chimique, mais on ne sait pas quel site moléculaire est responsable de la catalyse. Dans ce cas, une pointe AFM préparée avec la molécule de réactif peut être utilisée pour mesurer les interactions sur différents sites, déterminant finalement le ou les sites chimiquement actifs.

De plus, étant donné que les informations sur le niveau orbital peuvent être obtenues, les scientifiques peuvent acquérir une compréhension beaucoup plus approfondie de ce qui se passera lorsqu'une réaction chimique se produit. En conséquence, d'autres scientifiques pourraient concevoir des catalyseurs plus efficaces sur la base de ces informations.

Dit Chelikowsky: "Les superordinateurs, à bien des égards, nous permettent de contrôler la façon dont les atomes interagissent sans avoir à entrer dans le laboratoire. Un tel travail peut guider la découverte de nouveaux matériaux sans une procédure laborieuse d'essais et d'erreurs."

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COMMENTAIRES

Je  n ai pas assez  de mots pour complilenter  les éuiopes  rersponsables de ces magnifiques résultats .... qui merappellent aussi que j ai été  jadis 'élèvr du Professur  PRETTE    ,le maitre de la catalyse en  France 

XXMore information: Pengcheng Chen et al, Observation of electron orbital signatures of single atoms within metal-phthalocyanines using atomic force microscopy, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-37023-9

Journal information: Nature Communications 

Provided by University of Texas at AustinXXXXXXXXX

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