in

Faire progresser la science des matériaux : un nouveau « étalon-or » pour les codes informatiques

Faire progresser la science des matériaux : un nouveau « étalon-or » pour les codes informatiques

Un nouvel article dans Nature Revue Physique détaille une avancée significative dans la vérification des codes DFT à l’état solide utilisés en science des matériaux. Cette étude approfondie, qui s’appuie sur des recherches antérieures, fournit un ensemble de données de référence de 960 matériaux, aidant à affiner et tester d’autres codes. Soutenue par NCCR MARVEL et AiiDA, la recherche vise à garantir la reproductibilité et l’efficacité des futures études informatiques.

Les scientifiques du PRN MARVEL ont mené jusqu’à présent l’effort de vérification le plus complet sur les codes informatiques destinés aux simulations de matériaux, fournissant à leurs collègues un ensemble de données de référence et des lignes directrices pour évaluer et améliorer les codes existants et futurs.

Au cours des dernières décennies, les physiciens et les scientifiques des matériaux du monde entier se sont occupés de développer des codes informatiques qui simulent les propriétés clés des matériaux. Ils peuvent désormais choisir parmi toute une famille d’outils de ce type et les utiliser pour publier des dizaines de milliers d’articles scientifiques. par an.

Comprendre la théorie fonctionnelle de la densité (DFT)

Ces codes sont généralement basés sur la théorie de la densité fonctionnelle (DFT), une méthode de modélisation qui utilise plusieurs approximations pour réduire la complexité autrement ahurissante du calcul du comportement de chaque électron individuel selon les lois de la mécanique quantique. Les différences entre les résultats obtenus avec différents codes dépendent des approximations numériques effectuées et du choix des paramètres numériques derrière ces approximations, souvent adaptés pour étudier des classes spécifiques de matériaux, ou pour calculer des propriétés clés pour des applications spécifiques – par exemple. , conductivité pour les matériaux potentiels de la batterie.

Calcul des propriétés des matériaux avec le flux de travail AiiDA

Rendu artistique de la capacité du moteur de workflow AiiDA (dont le logo est affiché sur la tasse) à calculer de manière transparente les propriétés des matériaux avec plusieurs codes de simulation de mécanique quantique, grâce à l’interface « Workflow commun AiiDA ».
L’image sur la tablette est une version simplifiée de la figure 4 de l’article, où les résultats de 11 approches et codes informatiques différents sont comparés (en particulier, la figure compare les paramètres de l’équation d’état : volume d’équilibre, module de masse et son dérivé, pour l’ensemble des 960 matériaux et éléments chimiques considérés dans l’article).
Crédit : Giovanni Pizzi/PRN MARVEL

Défis liés à la vérification du code

Compte tenu de la complexité de ces codes, il est vraiment difficile de s’assurer qu’ils sont tous exempts d’une éventuelle erreur de codage, ou qu’ils ne souffrent pas d’approximations numériques trop grossières. Mais il est crucial pour la communauté de vérifier que les résultats des différents codes sont comparables, cohérents les uns avec les autres et reproductibles.

Dans un nouvel article publié aujourd’hui (14 novembre) dans Nature Revue Physiqueun grand groupe de scientifiques a mené jusqu’à présent l’effort de vérification le plus complet sur les codes DFT à l’état solide et a fourni à leurs collègues les outils et un ensemble de lignes directrices pour évaluer et améliorer les codes existants et futurs.

Le travail s’appuie sur une étude précédente publiée dans Science en 2016 qui avait comparé 40 approches informatiques en utilisant chacune d’elles pour calculer les énergies d’un ensemble test de 71 cristaux, chacun correspondant à un élément du tableau périodique, et a conclu que les codes traditionnels étaient en très bon accord les uns avec les autres.

Diversité chimique élargie

«Ce travail était rassurant, mais il n’a pas vraiment exploré suffisamment de diversité chimique», déclare Giovanni Pizzi, responsable du groupe Logiciels et données sur les matériaux à l’Institut Paul Scherrer PSI à Villigen (Suisse) et auteur correspondant du nouvel article. « Dans cette étude, nous avons considéré 96 éléments et pour chacun d’eux nous avons simulé dix structures cristallines possibles. »

En particulier, pour chacun des 96 premiers éléments du tableau périodique, ils ont étudié quatre unaires différents, qui sont des cristaux constitués uniquement d’atomes de l’élément lui-même, et six oxydes différents, qui comprennent également des atomes d’oxygène. Le résultat est un ensemble de données de 960 matériaux et leurs propriétés, calculés par deux codes DFT indépendants de pointe appelés FLEUR et WIEN2k. Les deux sont des codes « tout électron » (AE), ce qui signifie qu’ils prennent explicitement en compte tous les électrons des atomes considérés.

Ensemble de données de référence pour les tests de code

Cet ensemble de données peut désormais être utilisé par n’importe qui comme référence pour tester la précision d’autres codes, en particulier ceux basés sur des pseudopotentiels où, contrairement aux codes entièrement électroniques (AE), les électrons qui ne participent pas aux liaisons chimiques sont traités de manière manière simplifiée de rendre le calcul plus léger.

« En fait, nous avons déjà commencé à améliorer neuf de ces codes dans notre article, en comparant leurs résultats à ceux de notre ensemble de données, en mesurant les écarts et en ajustant leurs paramètres numériques (tels que les pseudopotentiels) en conséquence », explique Pizzi.

Recommandations et orientations futures

L’étude comprend également une série de recommandations destinées aux utilisateurs de codes DFT, afin de garantir la reproductibilité des études informatiques, sur la manière d’utiliser l’ensemble de données de référence pour mener de futures études de vérification et sur la manière de l’étendre pour inclure d’autres familles de codes et d’autres. propriétés des matériaux.

« Nous espérons que notre ensemble de données constituera une référence dans le domaine pour les années à venir », déclare Pizzi, l’un des neuf chercheurs MARVEL auteurs de l’étude, avec Marnik Bercx, Kristjan Eimre, Sebastiaan Huber, Matthias Krack et Nicola Marzari. , Aliaksandr Yakutovich, Jusong Yu, Austin Zadoks.

Prise en charge des cadres informatiques

L’étude fournit également un environnement pour de futures études de vérification via AiiDA, le cadre informatique en libre accès développé par le Centre national de compétence en recherche (PRN) MARVEL, qui a soutenu les travaux et dans lequel Pizzi est chef de projet, et par le Centre européen de recherche. Centre d’excellence MaX. « AiiDA nous permet d’écrire la même instruction de la même manière pour 11 codes différents, par exemple la requête de calcul d’une structure spécifique », explique Pizzi. Il peut ensuite exécuter le calcul pour vous et sélectionner les bons paramètres numériques pour chacun.

En plus d’élargir l’ensemble de données de référence avec plus de structures, Pizzi dit qu’à l’avenir, il espère prendre en compte non seulement la précision des différents codes, mais aussi leur coût en termes de temps et de puissance de calcul, aidant ainsi les scientifiques à trouver les paramètres les plus rentables pour leurs calculs.

Financement : Fonds national suisse

Sleep Deprivation Brain Art Concept

Protéine de mort neuronale : une nouvelle recherche montre comment la privation de sommeil peut endommager le cerveau

Euclid Horsehead Nebula

La lentille cosmique d’Euclide agrandit la majestueuse nébuleuse de la Tête de Cheval