Un « étalon-or » pour les codes informatiques de la science des matériaux

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.

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 à l’étude de classes spécifiques de matériaux ou au calcul de propriétés clés pour des applications spécifiques, par exemple. , conductivité pour les matériaux potentiels de la batterie.

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. Cependant, il est crucial pour la communauté de vérifier que les résultats des différents codes sont comparables, cohérents entre eux et reproductibles.

Dans un article publié dans Nature Examens 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 antérieure 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 avait conclu que les codes traditionnels étaient en très bon accord avec chacun d’entre eux. autre.

“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 considèrent explicitement tous les électrons des atomes considérés.

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.

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 dans 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.

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.