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Fast and accurate simulation of nuclear quantum effects in ab-initio molecular dynamics by a generalized Langevin equation

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Mieux simuler les effets quantiques nucléaires

Un projet de l'UE a rendu bien moins coûteuse la simulation des effets quantiques nucléaires, simultanément pour les électrons et des noyaux légers. Ceci contribuera à améliorer les matériaux utilisés dans les piles au lithium, les piles à combustibles et bien d'autres utilisations en chimie et en biologie.

Technologies industrielles

Au niveau quantique, les matériaux se comportent d'une manière bien différente du monde de tous les jours, gouverné par les lois de Newton. Ceci peut affecter le comportement des matériaux et des dispositifs qui contiennent de l'hydrogène ou d'autres atomes légers. Ce comportement est modélisé à l'aide de techniques de simulation par informatique.Pour les systèmes en phase condensée, la théorie de la fonctionnelle de densité (DFT) est un cadre d'une exactitude acceptable pour étudier la structure électronique quantique. Elle est cependant très coûteuse. Dans certains cas, il est souhaitable d'associer des simulations DFT avec la dynamique moléculaire par intégrales de chemins (PIMD), une approche commode lorsque l'on s'écarte du comportement newtonien. Le problème est que cette association de méthodes est très coûteuse et longue.Le projet NQEAIMD («Fast and accurate simulation of nuclear quantum effects in ab-initio molecular dynamics by a generalised Langevin equation») visait à rendre moins coûteuses les simulations par PIMD. Le but était de faciliter l'étude des effets quantiques nucléaires en association avec des simulations par DFT.Les chercheurs ont commencé par appliquer à une simulation PIMD une équation de Langevin généralisée à bruit coloré. Une fois cette méthodologie établie, ils ont étudié l'impact des effets quantiques nucléaires sur les propriétés de l'eau. Ils l'ont ensuite étendue à des problèmes plus complexes, en collaborant avec des groupes expérimentaux.L'équipe a mis au point une technique mixte, nommée PI+GLE, qui réduit le coût à un cinquième ou moins. Ils ont ensuite amélioré la PI+GLE pour obtenir la méthode PIGLET, qui pourrait faciliter considérablement l'intégration des effets quantiques nucléaires dans la dynamique moléculaire ab initio. Dans ce but, ils ont aussi développé l'interface i-PI à l'aide de codes de structure électronique, et l'ont publiée en open source. Les résultats de NQEAIMD auront un impact sur les recherches des autres scientifiques en matière de simulations par informatique. Ils devraient améliorer l'exactitude des simulations de matériaux et de produits chimiques contenant des atomes légers, comme l'hydrogène. Ceci pourrait renforcer la conception de matériaux assistée par ordinateur, et améliorer les batteries, enzymes, piles à combustibles et d'autres dispositifs.

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