Thèse soutenue

Bases mixtes ondelettes-gaussiennes pour le calcul de structures électroniques
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Auteur / Autrice : Dinh Huong Pham
Direction : Valérie PerrierQuang Huy Tran
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Mathématiques appliquées
Date : Soutenance le 30/06/2017
Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale mathématiques, sciences et technologies de l'information, informatique (Grenoble ; 199.-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut français du pétrole Énergies nouvelles (Rueil-Malmaison, Hauts-de-Seine) - Institut Français du Pétrole. Energies Nouvelles (Rueil-Malmaison)
Jury : Président / Présidente : Stéphane Labbé
Examinateurs / Examinatrices : Patrick Fischer, Luigi Genovese, Christophe Morell, Thierry Deutsch, Laurent Duval
Rapporteurs / Rapporteuses : Yvon Maday, Silvia Bertoluzza

Mots clés

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Résumé

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Cette thèse apporte une contribution aux méthodes numériques pour la simulation moléculaire ab initio, et plus spécifiquement pour le calcul de structures électroniques par l’équation de Schrödinger, ou par des formalismes comme la théorie de Hartree-Fock ou la théorie de la fonctionnelle de la densité. Elle propose une stratégie pour construire des bases mixtes ondelettes-gaussiennes dans l’approximation de Galerkin, combinant les qualités respectives de ces deux types de bases avec l’objectif de mieux capturer les points de rebroussement de la fonction d’onde. Les nombreux logiciels actuellement disponibles à l’usage des chimistes dans ce domaine (VASP, Gaussian, ABINIT...) se différencient par divers choix méthodologiques, notamment celui des fonctions de base pour exprimer les orbitales atomiques. Nouvel arrivant sur le marché, le code massivement parallèle BigDFT a opté pour les bases d’ondelettes. Comme le nombre de niveaux de résolution y est limité pour des raisons de performance,ces fonctions ne peuvent déployer pleinement leur puissance. La question posée est alors de savoir comment accroître la précision des calculs tous électrons au voisinage des singularités de type cusp de la solution, sans augmenter excessivement la complexité de BigDFT. La réponse que nous suggérons consiste à enrichir la base de fonctions d’échelles (niveau de résolution bas des bases d’ondelettes) par des fonctions gaussiennes centrées sur chaque position de noyau. La difficulté principale dans la construction d’une telle base mixte réside dans la détermination optimale du nombre de gaussiennes requises et de leurs écarts-types, de sorte que ces gaussiennes supplémentaires soient le mieux possible compatibles avec la base existante sous la contrainte d’un seuil d’erreur donné à l’avance. Nous proposons pour cela l’utilisation conjointe d’un estimateur a posteriori sur la diminution du niveau d’énergie et d’un algorithme glouton, ce qui aboutit à une suite incrémentale quasi-optimale de gaussiennes supplémentaires. Cette idée est directement inspirée des techniques de bases réduites. Nous développons les fondements théoriques de cette stratégie sur deux modèles 1-D linéaires qui sont des simplifications de l’équation de Schrödinger pour un électron,posée en domaine infini ou domaine périodique. Ces modèles prototypes sont étudiés en profondeur dans la première partie. La définition de l’estimateur a posteriori de type norme duale du résidu, ainsi que la déclinaison de la philosophie glouton en différents algorithmes concrets, sont présentées en seconde partie, accompagnées de résultats numériques. Les algorithmes proposés vont dans le sens d’une économie croissante du temps de calcul.Ils sont aussi de plus en plus empiriques, au sens où ils reposent de plus en plus sur les intuitions avec lesquelles les chimistes sont familiers. En particulier, le dernier algorithme pour plusieurs noyaux s’appuie en partie sur la validité du transfert atome/molécule et rappelle dans une certaine mesure les bases d’orbitales atomiques.