Un "étalon-or" pour les codes de calcul en science des matériaux
Les physiciens et les spécialistes des matériaux peuvent choisir parmi toute une famille de codes informatiques qui simulent le comportement des matériaux et prédisent leurs propriétés. La précision des résultats obtenus par ces codes dépend des approximations employées et des paramètres numériques choisis. Pour vérifier que les résultats des différents codes sont comparables, cohérents entre eux et reproductibles, un grand groupe de scientifiques a réalisé l'étude de vérification la plus complète à ce jour. Publiée dans le premier numéro de 2024 de Nature Reviews Physics, elle fournit un ensemble de données de référence et un ensemble de lignes directrices pour l'évaluation et l'amélioration des codes existants et futurs.
Représentation artistique des équations d'état des éléments du tableau périodique. Les dix structures cristallines différentes simulées pour chacun des 96 éléments étudiés sont représentées sur le tableau. L'illustration figure en couverture du numéro de janvier 2024 de la revue Nature Reviews Physics.
Giovanni Pizzi, EPFL
Les codes informatiques utilisés par les physiciens et les spécialistes des matériaux du monde entier sont à la base de dizaines de milliers d'articles scientifiques chaque année. Ces codes sont généralement basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT), une méthode de modélisation qui utilise plusieurs approximations pour réduire la complexité autrement époustouflante du calcul du comportement des électrons selon les lois de la mécanique quantique. Les différences entre les résultats obtenus avec les divers codes tiennent aux approximations numériques effectuées et au choix des paramètres numériques qui sous-tendent ces approximations, souvent adaptées à l'étude de classes spécifiques de matériaux ou au calcul de propriétés essentielles pour des applications spécifiques (par exemple, la conductivité pour les matériaux de batteries potentielles).
Dans l'article récemment publié dans Nature Reviews Physics, les auteurs présentent l'effort de vérification le plus complet à ce jour sur les codes DFT à l'état solide et fournissent à leurs collègues les outils et un ensemble de lignes directrices pour l'évaluation et l'amélioration des codes existants et futurs. Le projet a été dirigé et coordonné par le Centre national pour la conception computationnelle et la découverte de nouveaux matériaux (MARVEL) à l'École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL, Suisse). Thomas D. Kühne, directeur du Center for Advanced Systems Understanding (CASUS) - un institut du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf - et son directeur scientifique, le Dr Hossein Mirhosseini, ont apporté plusieurs contributions majeures dans le cadre d'une équipe de développeurs travaillant avec CP2K : un logiciel libre permettant d'effectuer des simulations atomistiques de systèmes solides, liquides, moléculaires, matériels, cristallins et biologiques.
Plus d'éléments, plus de structures cristallines
Les travaux publiés s'appuient sur un article de Science datant de 2016 qui comparait 40 approches informatiques en utilisant chacune d'entre elles pour calculer les énergies d'un ensemble test de 71 cristaux, chacun correspondant à un élément du tableau périodique. Les auteurs ont conclu que les principaux codes étaient en très bon accord les uns avec les autres. "Ces travaux étaient rassurants, mais ils n'exploraient pas suffisamment la diversité chimique", explique Giovanni Pizzi, chef du Materials Software and Data Group à l'Institut Paul Scherrer PSI de Villigen (Suisse), et auteur correspondant du nouvel article. "Dans cette étude, nous avons pris en compte 96 éléments et, pour chacun d'entre eux, nous avons simulé dix structures cristallines possibles. En particulier, pour chacun des 96 premiers éléments du tableau périodique, quatre unaires et six oxydes différents ont été étudiés. Les unaires sont des cristaux constitués uniquement d'atomes de l'élément lui-même, tandis que les oxydes comprennent également des atomes d'oxygène. Le résultat est un ensemble de données de 960 matériaux et de leurs propriétés, calculées par deux codes tout-électron indépendants, FLEUR et WIEN2k, qui prennent explicitement en compte tous les électrons des atomes étudiés.
Cet ensemble de données peut désormais servir de référence pour tester la précision d'autres codes, en particulier ceux basés sur des pseudopotentiels où, contrairement aux codes tout-électron, les électrons qui ne participent pas aux liaisons chimiques sont traités de manière simplifiée afin d'alléger le calcul. Les auteurs ont comparé les résultats de neuf codes de ce type à ceux obtenus par les codes tout-électron. "Avec d'autres membres de l'équipe CP2K, le CASUS était responsable du développement des flux de travail et des protocoles de calcul standard, ainsi que de la réalisation des calculs avec deux méthodes pseudopotentielles implémentées dans le logiciel CP2K, à savoir Quickstep et SIRIUS", explique M. Mirhosseini. "Cela signifie que nous avons comparé l'équation d'état des 960 cristaux calculée avec les deux méthodes aux résultats de référence tout-électron. Nos résultats pourraient servir de base à l'amélioration des méthodes mises en œuvre dans CP2K", ajoute-t-il.
L'étude comprend également une série de recommandations à l'intention des utilisateurs de codes DFT, afin de garantir la reproductibilité des études de calcul, d'utiliser l'ensemble de données de référence pour mener de futures études de vérification et de l'étendre à d'autres familles de codes et à d'autres propriétés des matériaux. "Nous espérons que notre ensemble de données constituera une référence dans ce domaine pour les années à venir", déclare M. Pizzi.
Élargir l'ensemble de données, former les chercheurs
Après avoir démontré l'importance de l'ensemble de données de référence, l'un des principaux objectifs est désormais de l'étendre à d'autres structures et à des propriétés plus complexes calculées à l'aide de fonctionnels plus avancés. Mais il y a encore plus de défis à relever : Au lieu de se concentrer exclusivement sur la précision des différents codes, l'équipe prévoit également de tenir compte de leur coût en termes de temps et de puissance de calcul. Cela aiderait les scientifiques à trouver le moyen le plus rentable d'effectuer leurs calculs.
Parallèlement à ces développements, un consortium encore plus important a déjà été formé. Toutefois, il ne s'intéresse pas principalement aux molécules ou au code. Il s'adresse à la prochaine génération de chercheurs. "Les doctorants et les postdocs en début de carrière doivent être sensibilisés à l'importance de la validation et de l'évaluation des résultats de la modélisation DFT", explique M. Kühne. "Le consortium va donc renforcer les compétences de ces jeunes chercheurs afin qu'ils soient en mesure de mettre en œuvre des processus de vérification de code dans leurs projets de recherche. Les avantages sont évidents et comprennent une meilleure précision en général ainsi qu'un coût de calcul optimisé en fonction de la précision souhaitée."
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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