Dynamique au-delà des théories de champ moyen dépendant du temps

On dynamics beyond time-dependent mean-field theories

• Auteur / Autrice : Lionel Lacombe
• Direction : Phuong Mai Dinh
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de la matière
• Date : Soutenance le 27/09/2016
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique Théorique - IRSAMC

Mots clés

Mots clés contrôlés

Théorie de la fonctionnelle de densité

Théorie du champ moyen

Mots clés libres

Théorie de la fonctionnelle de la densité

Matrice densité

Extended time-dependent Hartree-Fock

Stochastic time-dependent Hartree-Fock

Collisional time-dependent Hartree-Fock

Effets dissipatifs

Au-delà du champ moyen

Density Functional Theory

Density Functional Theory

Density Functional Theory

Density Functional Theory

Density Functional Theory

Dissipative effects

Dissipative effects

Résumé

Cette thèse présente différentes approches quantiques pour l'exploration de processus dynamiques dans des systèmes multiélectroniques, en particulier après une forte excitation qui peut aboutir à des effets dissipatifs. Les théories de champ moyen sont un outil utile à cet égard. Malgré l'existence de nombreux travaux réalisés ces deux dernières décennies, ces théories peinent à reproduire complètement la corrélation à deux corps. La thermalisation est un des effets des collisions électron-électron. Après un chapitre introductif, on présentera dans le chapitre 2 le formalisme de plusieurs méthodes étudiées dans cette thèse, ayant pour but la description de ces effets en ajoutant un terme de collision au champ moyen. Ces méthodes sont appelées Stochastic Time-Dependent Hartree Fock (STDHF), Extended TDHF (ETDHF) et Collisional TDHF (CTDHF). Cette dernière méthode représente d'une certaine façon le résultat principal de cette thèse. L'implémentation numérique de chacune de ces méthodes sera aussi examinée en détail. Dans les chapitres 3, 4 et 5, nous appliquerons à différents systèmes les méthodes présentées dans le chapitre 2. Dans le chapitre 3, nous étudions d'abord un canal de réaction rare, ici la probabilité d'un électron de s'attacher à un petit agrégat d'eau. Un bon accord avec les données expérimentales a été observé. Dans le chapitre 4, un modèle fréquemment utilisé en physique nucléaire est résolu exactement et comparé quantitativement à STDHF. L'évolution temporelle des observables à un corps s'accorde entre les deux méthodes, plus particulièrement en ce qui concerne le comportement thermique. Néanmoins, pour permettre une bonne description de la dynamique, il est nécessaire d'avoir une grande statistique, ce qui peut être un frein à l'utilisation de STDHF sur de larges systèmes. Pour surpasser cette difficulté, dans le chapitre 5 nous testons CTDHF, qui a été introduit dans le chapitre 2, sur un modèle à une dimension (et sans émission électronique). Le modèle se compose d'électrons dans un potentiel de type jellium avec une interaction auto-cohérente sous la forme d'une fonctionnelle de la densité. L'avantage de ce modèle à une dimension est que les calculs STDHF sont possibles numériquement, ce qui permet une comparaison directe aux calculs CTDHF. Dans cette étude de validité du concept, CTDHF s'accorde remarquablement bien avec STDHF. Cela pose les jalons pour une description efficace de la dissipation dans des systèmes réalistes en trois dimensions par CTDHF.

This thesis presents various quantal approaches for the exploration of dynamical processes in multielectronic systems, especially after an intense excitation which can possibly lead to dissipative effects. Mean field theories constitute useful tools in that respect. Despite the existence of numerous works during the past two decades, they have strong difficulties to capture full 2-body correlations. Thermalization is one of these effects that stems from electron-electron collisions. After an introductory chapter, we present in Chapter 2 the formalism of the various schemes studied in this thesis toward the description of such an effect by including collisional terms on top of a mean field theory. These schemes are called Stochastic Time-Dependent Hartree Fock (STDHF), Extended TDHF (ETDHF) and Collisional TDHF (CTDHF). The latter scheme constitutes in some sense the main achievement of this thesis. The numerical realizations of each scheme are also discussed in detail. In Chapters 3, 4 and 5, we apply the approaches discussed in Chapter 2 but in various systems. In Chapter 3, we first explore a rare reaction channel, that is the probability of an electron to attach on small water clusters. Good agreement with experimental data is achieved. In Chapter 4, a model widely used in nuclear physics is exactly solved and quantitatively compared to STDHF. The time evolution of 1-body observables agrees well in both schemes, especially what concerns thermal behavior. However, to allow a good description of the dynamics, one is bound to use a large statistics, which can constitute a hindrance of the use of STDHF in larger systems. To overcome this problem, in Chapter 5, we go for a testing of CTDHF developed in Chapter 2 in a one-dimensional system (and without electronic emission). This system consists in electrons in a jellium potential with a simplified self-consistent interaction expressed as a functional of the density. The advantage of this 1D model is that STDHF calculations are numerically manageable and therefore allows a direct comparison with CTDHF calculations. In this proof of concept study, CTDHF compares remarkably well with STDHF. This thus paves the road toward an efficient description of dissipation in realistic 3D systems by CTDHF.