La spectroscopie théorique vise à calculer la réponse de la matière à une excitation, qu'il s'agisse d'un rayonnement électromagnétique ou d'un faisceau d'électrons. La confrontation entre cette modélisation et l'expérience aide les scientifiques à interpréter des mesures, à identifier les phénomènes prédominants dans une expérience ou encore à valider le niveau d'approximation du formalisme.

L'état de l'art de la spectroscopie théorique repose sur les calculs ab initio, c'est-à-dire à partir des premiers principes de la physique. Parmi les calculs ab initio, la théorie de la fonctionnelle de la densité dépendant du temps (TD-DFT) est un formalisme précis et relativement léger qui permet d'obtenir les spectres de perte d'énergie d'électrons et d'absorption.

Périodicité et nano-objets

Dans le cas des cristaux infinis (3D), la périodicité donne accès à un « espace réciproque », ce qui rend les codes de calculs extrêmement efficaces. Or l'intérêt pour les propriétés exceptionnelles des nano-matériaux a conduit à tenter d'utiliser ce cadre périodique pour étudier les nano-objets isolés, en les introduisant dans une « supercellule ».

Une équipe de spectroscopistes théoriques de l'Iramis (LSI) montre que le formalisme développé pour les cristaux 3D ne peut être appliqué sans être fondamentalement adapté pour les objets bidimensionnels isolés (2D). Cette analyse théorique clarifie la nature de la réponse optique (coefficient de réflexion, transmission ou d'absorption sur l'ensemble du spectre) obtenue en TD-DFT pour une couche ultra-mince et établit un formalisme pour la calculer correctement.

Lire la thèse de Stefano Mazzei : Second Harmonic Generation from silicon surfaces functionalized with DNA nucleobases: an ab initio description