De la surface au cœur des étoiles : vers une modélisation unifiée de la matière condensée aux plasmas

From the surface to the core of stars : towards a unified modeling from condensed matter to plasmas

• Auteur / Autrice : Augustin Blanchet
• Direction : Gilles Maynard, Jean Clérouin, Marc Torrent
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 22/02/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et Matière
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des gaz et des plasmas (Orsay, Essonne ; 1965-....) - Laboratoire Matière sous conditions extrêmes (Bruyères-le-Châtel, Essonne ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Eric Cancès
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Matthieu Verstraete, Gérard Massacrier, Sandrine Ferri
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Matthieu Verstraete, Gérard Massacrier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Équations d'état

Dynamique moléculaire

Théorie de la fonctionnelle de densité

Matière condensée

Plasmas (gaz ionisés)

Mots clés libres

Plasmas

Matière condensée

Dft

Étendu

Équations d'état

Universel

Plasma

Condensed matter

Dft

Extended

Equations of state

Universal

Résumé

Dans les codes de principes premiers quantiques, le nombre d’orbitales nécessaire à la description d’un ensemble d’atomes croît fortement avec la température. Ces codes de dynamique moléculaire quantique (QMD) sont de fait limités à des températures inférieures à quelques dizaines d’électronvolts. Cependant, à haute température, une partie significative des orbitales concerne des électrons libres de haute énergie, faiblement couplés aux ions du plasma. Cette thèse propose une simplification de ces orbitales de haute énergie en remplaçant, au-delà d’une certaine bande de coupure, le calcul numérique détaillé par une sommation analytique d’ondes planes pures. L’objectif principal de la thèse est de développer un nouveau modèle ab initio quantique permettant de décrire la matière de manière universelle, sur des larges gammes de densités et de températures, pour un coût en temps de calcul très réduit par rapport aux autres méthodes. Ce modèle est implémenté et partagé dans le code ouvert de QMD ABINIT. Enfin, cette approche est mise en œuvre dans le calcul d’équations d’état.

In first-principles quantum codes, the number of orbitals needed to describe a set of atoms highly increases with temperature. These quantum molecular dynamics codes (QMD) are therefore limited to temperatures lower than a few tens of electronvolts. However, at high temperature, a significant part of the orbitals concerns free electrons of high energy, weakly coupled to the ions of the plasma. This thesis proposes a simplification of these high energy orbitals by replacing, beyond a certain band cut, the full detailed numerical computation with an analytical summation of pure plane waves. The main goal of this thesis is to develop a new quantum ab initio model allowing to describe the matter universally over a large range of densities and temperatures, for a lot less computational cost than other methods. This model is implemented and shared in the QMD free and open-source software ABINIT. This approach is finally tested with the computation of equations of state.