L'objectif et le but ultime de la recherche informatique en science des matériaux et en physique de la matière condensée est de résoudre exactement l'équation de Schrödinger, l'équation fondamentale décrivant le comportement des électrons à l'intérieur de la matière (sans recourir à des approximations simplificatrices). Alors que les expériences peuvent certainement fournir des informations intéressantes sur les propriétés d'un matériau, ce sont souvent les calculs qui révèlent le mécanisme physique sous-jacent. Cependant, les calculs n'ont pas besoin de s'appuyer sur des données expérimentales et peuvent, En réalité, être effectué de manière indépendante, une approche connue sous le nom de "calculs ab initio". La théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) est un exemple populaire d'une telle approche.

Pour la plupart des scientifiques des matériaux et des physiciens de la matière condensée, Les calculs DFT sont le pain et le beurre de leur profession. Cependant, bien qu'il s'agisse d'une technique puissante, Le DFT a eu un succès limité avec les « matériaux fortement corrélés », des matériaux dotés de propriétés électroniques et magnétiques inhabituelles. Ces matériaux, tout en étant intéressants en eux-mêmes, possèdent également des propriétés technologiques utiles, un fait qui motive fortement un cadre ab initio adapté pour les décrire.

À cette fin, un cadre connu sous le nom de « Monte Carlo ab initio quantum » (QMC) s'est révélé très prometteur et devrait être la prochaine génération de calculs de structure électronique en raison de sa supériorité sur la DFT. Cependant, même QMC est largement limité aux calculs d'énergie et de forces atomiques, limitant son utilité dans le calcul des propriétés matérielles utiles.

Maintenant, dans une étude révolutionnaire publiée dans Examen physique B (Suggestion des éditeurs), les scientifiques ont poussé les choses au niveau supérieur en se basant sur une approche qui leur permet de réduire l'erreur statistique dans l'évaluation de la force atomique de deux ordres de grandeur et d'accélérer ensuite le calcul d'un facteur 10 ⁴ ! "La réduction drastique du temps de calcul élargira considérablement la gamme des calculs QMC et permettra une prédiction très précise des propriétés atomiques des matériaux qui ont été difficiles à manipuler, " observe le professeur adjoint Kousuke Nakano du Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST), qui, avec ses collègues Prof. Ryo Maezono de JAIST, Prof. Sandro Sorella de l'École internationale d'études avancées (SISSA), Italie, et Dr. Tommaso Morresi et Prof. Michele Casula de Sorbonne Université, La France, a dirigé cette réalisation révolutionnaire.

L'équipe a appliqué sa méthode développée pour calculer les vibrations atomiques du diamant, un matériau de référence typique, comme preuve de concept et a montré que les résultats étaient cohérents avec les valeurs expérimentales. Pour effectuer ces calculs, ils ont utilisé un gros ordinateur, Cray-XC40, situé au Centre de recherche pour l'infrastructure informatique avancée du Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST), Japon, ainsi qu'un autre situé à RIKEN, Japon. L'équipe a utilisé un progiciel QMC appelé "TurboRVB, " initialement lancé par le professeur Sorella et le professeur Casula et développé plus tard par le professeur Nakano avec d'autres, pour effectuer des calculs de dispersion de phonons pour le diamant qui étaient auparavant inaccessibles, élargissant considérablement sa portée.

Le professeur Nakano attend avec impatience les applications de QMC en informatique des matériaux (MI), un domaine dédié à la conception et à la recherche de nouveaux matériaux utilisant les techniques des sciences de l'information et de la physique numérique. « Bien que MI soit actuellement régie par DFT, l'évolution rapide des performances des ordinateurs, comme le supercalculateur exascale, aidera QMC à gagner en popularité. À cet égard, notre méthode développée va être très utile pour concevoir de nouveaux matériaux avec des applications réelles, " conclut un Dr Nakano optimiste.