Etude de l'hydrogène à très haute pression par la méthode Coupled Electron-Ion Monte Carlo

par Vitaly Gorelov

Projet de thèse en Physique

Sous la direction de Daniel Borgis et de Carlo Pierleoni.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Sciences chimiques : molécules, matériaux, instrumentation et biosystèmes (Orsay, Essonne) , en partenariat avec Maison de la Simulation (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 03-10-2017 .


  • Résumé

    L'hydrogène est l'élément le plus abondant de l'univers, suivi de l'hélium, et il compose beaucoup d'objets astronomiques, par exemple Jupiter et Saturne dans notre système solaire. L'ingrédient de base des modèles planétaires est l'équation d'état de l'hydrogène, de l'hélium et de leurs mélanges sur une grande gamme de pression, température et concentrations. Il est particulièrement important d'établir les transitions de démixtion des mélanges hydrogène-hélium et leur liaison avec la métallisation de l'hydrogène et de l'hélium. La localisation de ces transitions pourrait expliquer des observations expérimentales récentes sur les planètes. Des méthodes de simulations numériques de premiers principes ont été appliquées à l'hydrogène, aux éléments légers et aux hydrates sous compression. Cependant les méthodes traditionnelles type théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) ont des difficultés à fournir des prédictions précises de la métallisation. Les méthodes de Monte Carlo Quantique (QMC) n'ont pas a-priori ces limitations. Une difficulté supplémentaire est de prendre en compte les effets quantiques nucléaires qui sont significatifs à haute pression. Nous avons introduit récemment le 'Coupled Electron-Ion Monte Carlo' (CEIMC), basé entièrement sur la méthode QMC, dépassant les limitations précédentes, et bien adapté à l'hydrogène et aux éléments légers (hélium, lithium). Cette méthode a été appliquée jusqu'ici à la transition liquide-liquide dans l'hydrogène et à la courbe de Hugoniot dans le deutérium. Notre projet est d'étudier par CEIMC la métallisation dans l'hydrogène et autres éléments légers tels que hélium, lithium et leur hydrates, ainsi que sa connexion avec les courbes de transition de phase. D'un point de vue méthodologique, nous voulons, avec l'aide de la Maison de la Simulation, intégrer le CEIMC dans un logiciel libre, afin de le diffuser et de faciliter son utilisation pour des systèmes avec des éléments plus lourds, pour lesquels une distinction doit être faite entre électrons de valence et de coeur; par exemple pour la modélisation de l'eau qui reste un défi pour les méthodes de premier principe conventionnelles.

  • Titre traduit

    Study of hydrogen at very high pressure using the Coupled Electron-Ion Monte Carlo method


  • Résumé

    Hydrogen is the most abundant element in the universe, followed by helium, comprising many astronomical objects, e.g. Jupiter and Saturn in our own solar system and a large number of other objects discovered in the past decade. The basic ingredient of planetary models is the equation of state of hydrogen, helium and their mixtures in a wide range of pressure, temperature and concentrations. Of particular importance is to establish the de-mixing transition of the hydrogen-helium mixtures and its interplay with metallization both in hydrogen and helium. The occurrence and location of phase lines might explain experimental observations about the planets. First Principles methods have been widely applied to hydrogen, light elements and hydrates under compression. However standard Density Functional Theory (DFT) methods have difficulties to provide accurate predictions of metallization. Conversely, ground state Quantum Monte Carlo methods have proven to provide reliable predictions even at metallization. An additional difficulty for light elements is the proper account of the nuclear quantum effects which are significant at high pressure. Recently we introduced the Coupled Electron-Ion Monte Carlo (CEIMC), based entirely on Quantum Monte Carlo methods, which overcomes both limitations and is particularly suitable for hydrogen and light elements (helium and lithium) under extreme conditions. So far it has been applied to predict a first order liquid-liquid transition in hydrogen and the principal Hugoniot line in deuterium. The aim of the project is to investigate, by CEIMC, metallization in hydrogen and other light elements like helium, lithium and their hydrates compounds, and its interplay with melting and other phase lines. On the methodological side we intend to develop the CEIMC further in the direction of integrating this new method into an open access package which will allow an easier spread of the methodology, and will facilitate its use for systems with heavier elements, where a distinction between core and valence electrons, based on the use of pseudo-potentials, is necessary. For instance the quantitative modeling of water is still very challenging for conventional first-principle methods.