
CRÉDITS D'ÉQUIPEMENTS POUR L'ACCUEIL DE NOUVEAUX CHERCHEURS

FICHE DE PRÉSENTATION

DEMANDEUR: Florent CALVAYRAC

ORGANISME Laboratoire de Physique de l'État Condensé

RESPONSABLE: A. GIBAUD, directeur

SECTEUR DE RECHERCHE: PHYSIQUE DES MATÉRIAUX

OBJET:

Acquisition de logiciels, de moyens de calcul
et de post-traitement graphique


Type de matériel	Marque-Pays d'origine	Coût
Station de travail Linux	DEC/Compaq	59 918 FF HT


Imprimante	Hewlett-Packard	2118 FF HT

Ordinateur Power Mac	Apple	16741 FF HT


P.C.	Dell	14776 FF HT


Logiciel `GAUSSIAN98`	Gaussian Inc. (USA)	1500 $
mise à jour		9000 FF HT
universitaire

Coût total estimé		100000 F HT
	+ T.V.A. 20,6 %
		120000 F TTC


P.J. :


Devis matériel Curriculum vitæ Liste de publications

RENSEIGNEMENTS RELATIFS AU DEMANDEUR

IDENTITÉ JURIDIQUE

Université du Maine

Avenue Olivier Messiaen

BP 535

72085 Le Mans Cedex 09

IDENTITÉ SCIENTIFIQUE

LABORATOIRE

Laboratoire de Physique de l'État Condensé, CNRS UPRESA 6087.

RESPONSABLE : Alain GIBAUD

PARTICIPATION AUX PÔLES RÉGIONAUX

Le Laboratoire, et l'équipe surface-interfaces participent activement aux pôles matériaux et biomatériaux de la Région des Pays de Loire.

Plusieurs collègues collaborent avec l'ISITEM, l'INRA-Nantes.

Dans le cadre du contrat de Plan du Bassin Parisien, nous avons obtenu 5000h de calcul mono-processeur au CRIHAN (Haute-Normandie)

PRINCIPAUX THÈMES DE RECHERCHE

Dynamique, optique et magnétisme des cristaux.
Systèmes désordonnés et hétérogènes.
Surfaces et interfaces, films minces
Optoacoustique et phénomènes non linéaires
Physico-chimie théorique et expérimentation numérique

MOYENS ACTUELS

En personnel: (impliqués dans la demande)

1 Professeur, 1 Directeur de Recherches CNRS, 3 Maîtres de Conférences

En gros équipement: (relatif au thème de physique numérique) Aucun. Un projet d'acquisition de calculateur parallèle est en cours de finalisation, en partenariat avec plusieurs laboratoires ou structures transversales.

PROJET RELATIF À LA DEMANDE

La majorité des équipes de recherche, quelle que soit la discipline, sont désormais en train de ranger au nombre de leurs outils, à côté de la théorie et de l'expérience, la simulation numérique.

C'est afin de développer cette approche, jusqu'alors absente au laboratoire de Physique de l'État Condensé (LPEC) de l'université du Maine que j'y ai été recruté en septembre 1998.

Mon domaine d'expertise concerne en particulier les méthodes ab initio telles que la théorie de la fonctionnelle de la densité. Au cours de ma thèse à Toulouse, j'ai d'ailleurs écrit en grande partie un logiciel original d'application de cette méthode à divers systèmes ou problèmes.

Mon projet de recherche pour les prochaines années concerne l'amélioration et l'application de ce logiciel soit en collaboration avec différents laboratoires français et étrangers, soit en collaboration avec les équipes théoriques ou expérimentales du Mans, en complémentarité des approches déjà existantes. Les directions principales de recherche concernent la dynamique d'agrégats libres, et surtout la compréhension du comportement des nanostructures magnétiques étudiées au LPEC.

Je compte également collaborer avec différentes équipes du laboratoire sur des problèmes ponctuels nécessitant des connaissances en simulation numérique.

Ces différents points sont développés en annexe.

Ces activités vont nécessiter une très importante puissance de calcul. Les chercheurs français bénéficient certes d'un atout majeur dans ce domaine grâce aux centres nationaux et régionaux de calcul, tels que l'IDRIS ou le CNUSC. Ces derniers mettent à leur disposition des ressources permettant d'aborder des systèmes de taille considérable, grâce à des super-ordinateurs parallèles comme le T3E ou le SP2.

J'ai obtenu cette année au total une allocation de 7000 heures monoprocesseur sur ces supercalculateurs. De même, différents laboratoires ou structures de l'université envisagent en commun l'achat d'un calculateur de taille intermédiaire. Cependant, le développement et la mise au point des programmes n'est pas très pratique sur ces machines ; de plus, j'envisage de calibrer et de valider les résultats de mes programmes sur ceux obtenus dans des cas particuliers grâce au logiciel GAUSSIAN98 dont je demande ici l'achat d'une mise à jour et du code source.

Les moyens de calcul, qui sont disponibles actuellement au laboratoire ou à l'université, quelques PC ou stations de travail âgés de plusieurs années, sont nettement insuffisants pour ce faire.

En particulier, ils ne possèdent pas la puissance de calcul ou les capacités matérielles qui permettraient d'assurer le post-traitement graphique indispensable à l'heure actuelle à la bonne compréhension globale de la quantité énorme de résultats que peut produire une simulation numérique. J'utiliserai pour ce faire les logiciels très onéreux (AVS) disponibles dans les grands centres de calcul, mais il est indispensable de disposer à l'université de matériel capable d'afficher les graphiques correspondants grâce à des processeurs rapides couplés à des cartes écran modernes.

Le choix le plus raisonnable pour le présent projet, compte tenu du budget, consiste donc en l'acquisition d'une station de travail dotée d'un ou deux processeurs performants joints à une grande quantité de mémoire vive et de mémoire cache, et d'une bonne capacité de traitement graphique. Les seuls modèles répondant à ces spécifications sont du type Pentium III 500 Mhz, ou Dec Alpha EV6. Le budget envisagé permettra d'acquérir deux stations biprocesseurs Pentium III à 500 Mhz, ou une station monoprocesseur Alpha.

Nous joignons des devis estimatifs correspondants, établis dans le cadre des marchés CNRS auxquels nous avons accès, et qui représentent le prix le plus bas que l'on puisse trouver, avec des remises allant jusqu'à 30%.

Nous comptons utiliser et développer des programmes en C/C++ ou Fortran 77/90, langages pour lesquels il existe un grand nombre de compilateurs gratuits, en particulier par le fait que le système d'exploitation sera une version du domaine public d'Unix, Linux, qui procure sécurité, fiabilité, et accès au code source. Les économies ainsi réalisées en matière de logiciel permettent de de proposer, dans le budget demandé, l'achat éventuel d'un ordinateur portable qui servira pour les travaux de bureautique ou l'accès distant à la station de travail.

Dans le cadre de la collaboration avec P.Laffez sur la détermination de structures par ajustement de simulations numériques d'images de microscopie électronique, il s'avère indispensable de proposer l'achat d'un Macintosh : le seul logiciel disponible (MacTempas, université de Berkeley) ne tourne que sur ce type de machine.

Nous envisageons l'achat de la mise à jour du logiciel de chimie quantique ab initio GAUSSIAN, qui est une référence à l'heure actuelle (John Pople, à l'origine de ce programme, est corécipiendaire du prix Nobel de Chimie 1998).

Une licence pour la version GAUSSIAN94 est en effet disponible pour l'université grâce au centre de calcul, mais il est possible, pour le prix raisonnable accordé aux institutions de recherche telle la nôtre, d'acquérir une mise à jour GAUSSIAN98 incluant le code source. Ce logiciel pourra alors être installé et modifié sur différentes plate-formes.

Les résultats obtenus grâce à ce logiciel pourront servir à valider ceux du logiciel original discuté plus haut.

GAUSSIAN98 n'est pas encore très bien parallélisé : il est donc nécessaire de disposer d'ordinateurs traditionnels performants pour le faire tourner.

PLAN de FINANCEMENT

Prix de base: 99502 FF HT, soit 120000 FF TTC

Le plan de financement peut être résumé dans le tableau suivant :


Origine	Montant HT	Montant TTC
Région des Pays de la Loire	33 167 F HT	40 000 F TTC
Université du Maine	33 167 F HT	40 000 F TTC
LPEC	33 167 F HT	40 000 F TTC

Le 31 mars 1999

F.Calvayrac

Détail du projet scientifique

La théorie de la fonctionnelle de la densité est devenue depuis quelques années une des approches dominantes du calcul ab-initio, que ce soit en physique atomique, moléculaire, chimie quantique, physique du solide ou des matériaux, à tel point que Walter Kohn, un des fondateurs de cette théorie, est corécipiendaire du prix Nobel de chimie 1998.

Chacune des disciplines sus-citées dispose d'un certain nombre de codes spécifiques pour résoudre numériquement les équations correspondantes : en chimie quantique, on peut citer par exemple les logiciels <<Gaussian>> ou <<DMol>>, en physique du solide <<Crystal>> ou <<Cerius2>>. Ces programmes, qu'ils soient du commerce (avec une gamme de prix de l'ordre de 5000F jusqu'au million de francs), du domaine public, ou locaux à un groupe ou un laboratoire, sont souvent dédiés à une classe de problèmes donnés, en particulier à la détermination de structures ou de modes de vibration, ou du moins les choix de représentation des fonctions d'onde qui y sont faits limitent leur champ d'application.

Résultats acquis

Entre 1995 et 1999, F.Calvayrac (alors en thèse [1] à l'université Paul Sabatier), Éric Suraud, P.-G. Reinhard et C.Kohl ont mis au point un logiciel original, dans le but initial d'étudier les propriétés statiques et dynamiques des agrégats de sodium, par la théorie de la fonctionnelle de la densité dépendant du temps dans une version non-linéarisée. Ce code est basé sur une discrétisation en espace direct des fonctions d'onde électroniques, ce qui lève toutes les restrictions de symétrie, permet un très bon couplage au continuum, et un choix très large d'excitations, de contraintes ou d'action extérieures sur le système (action d'une surface ou une matrice, par exemple).

À l'heure actuelle, il est possible avec ce code

1.: De prédire les structures et l'énergétique d'agrégats, y compris polarisés en spin [2], grâce à un recuit simulé simultané des structures et des configurations de spin.
2.: grâce à l'emploi de pseudopotentiels soigneusement choisis, de calculer des spectres de photoabsorption et de les relier à la structure, pour les agrégats de sodium [3], mais aussi pour d'autres systèmes tels les chaînes de carbone [4].
3.: de modéliser le couplage à une surface simple [5]
4.: de modéliser l'interaction avec une impulsion laser femtoseconde et l'explosion de l'agrégat suivant l'ionisation, grâce à une dynamique moléculaire couplée de façon non-adiabatique à la dynamique ionique [6]

Des conditions aux limites périodiques ont été introduites afin de pouvoir traiter des systèmes tels que les plasmas ou les solides [7].

Enfin, l'inclusion du couplage spin-orbite et d'une fonctionnelle locale invariante par rotation de spin permet de modéliser des systèmes tels que les agrégats de cuivre ou de fer [8].

Les codes correspondants ont été entièrement parallélisés avec MPI afin qu'ils s'exécutent de façon optimale sur des supercalculateurs tels que le T3E ou le SP2.

Perspectives

Le logiciel étant quasiment parachevé, les perspectives du logiciel disponible se situent plutôt au niveau des applications directes.

Une direction de recherche théorique importante concerne cependant l'inclusion correcte d'un champ magnétique extérieur dans l'optimisation par recuit simulé. La balance détaillée, condition nécessaire à l'application d'un algorithme tel que celui de Metropolis, est alors en effet détruite [9]. D'autre part, l'inclusion du champ magnétique dans la théorie de la fonctionnelle de la densité nécessite dans le cas de champs forts de passer à la théorie de la fonctionnelle de densité des courants [10].

Cependant, les points les plus intéressants abordables dans l'immédiat sont, dans l'ordre de faisabilité, les suivants.

Dynamique d'agrégats libres

Dans [6] ont été analysés précisément le couplage des degrés de liberté électroniques et ioniques, c'est à dire, l'échelle de temps et les conditions de ces phénomènes, afin de mettre en évidence des situations clairement non-adiabatiques en relation avec des expériences récentes comme celles de [11] sur l'explosion de petites molécules soumises à des champs laser intenses.

Ces clarifications permettent désormais d'aborder le cas d'agrégats de plus grande taille, où on ne peut plus parler d'explosion coulombienne lorsqu'ils sont soumis à des champs intenses mais plutôt de leur transformation en un plasma chaud. Ces situations ont été récemment produites expérimentalement dans le cas d'agrégats de gaz rares [12,13] mais la modélisation intéressante des auteurs de ces articles est moins microscopique que celle ici proposée. Ces auteurs font par ailleurs remarquer que de telles expériences pourraient d'une part conduire à de nouvelles sources de rayons X car les agrégats sont de très bons générateurs non-linéaires d'harmoniques, et d'autre part, si elles étaient menées sur des agrégats de deutérium-tritium, à des expériences de fusion bon marché au vu de l'efficacité de la conversion de l'énergie lumineuse en énergie cinétique. Une modélisation microscopique de ces situations est donc très intéressante.

Les partenaires de cette partie du projet sont E.Suraud (Université Paul Sabatier) et P.-G. Reinhard (Université d'Erlangen).

Petits agrégats et Nanostructures magnétiques

Ces dernières années, le laboratoire PEC a abordé expérimentalement grâce à la spectroscopie Mössbauer en température [14,15,16], les propriétés des alliages nanocristallins dits FINEMET FeCuNbBSi, ou NANOPERM FeZrB(Cu) ou apparentés, qui possèdent des performances magnétiques intéressantes pour des applications dans le domaine des hautes fréquences. L'origine des propriétés de ces alliages n'est pas encore bien connue.

En même temps que seront élaborés différents modèles phénoménologiques (voir la partie suivante du dossier présentée par Y.Labaye), le logiciel de fonctionnelle de la densité décrit ci-dessus sera mis en uvre afin de comprendre le comportement des nanostructures ferromagnétiques les plus simples, de calculer les paramètres des modèles et de valider leurs résultats.

Agrégats magnétiques libres

Dans un premier temps pourront être calculées les structures et configurations des moments magnétiques de petits agrégats ferro- ou antiferromagnétiques, ce qui est en soi un domaine de recherche actif à l'heure actuelle. La problématique concerne, au delà des structures, la question de l'alignement colinéaire ou non des spins [8], [17]. Les résultats pourront être calibrés sur ceux de diverses publications récentes [18,19,20,21,22], obtenus en fonctionnelle de la densité, locale ou non, pour des agrégats de moins de 10 atomes. Une étude systématique de ce problème par le modèle de Hubbard a été publiée très récemment [23].

L'usage d'un code parallélisé et de pseudopotentiels permettra de pousser l'étude jusqu'à des tailles plus importantes. Cette partie du projet est envisagée en collaboration avec Christian Kohl (IFNT, Université de Washington, Seattle)

Interaction avec une matrice

Certains auteurs ont abordé [24] la question de la structure d'agrégats de métaux de transition en interaction avec une matrice résiduelle magnétique, par le modèle phénoménologique de Hubbard.

Il est donc très intéressant de relier ces résultats à ceux de calculs ab initio en fonctionnelle de la densité. La question principale concerne la nature du couplage magnétique entre les atomes de surface de l'agrégat et leurs voisins de la matrice, en fonction de la taille de l'agrégat.

Un problème similaire est présenté par les joints de grain tels que ceux que l'on trouve dans les matériaux nanostructurés étudiés expérimentalement au Mans. Ce point peut être rapproché de diverses expériences récentes sur le couplage magnétique entre les films des multicouches Fe/Cr ou Co/Cu [25], ce qui rend particulièrement intéressante une approche ab initio de ces problèmes, abordés théoriquement pour le moment à notre connaissance uniquement par une méthode de liaisons fortes [26].

Calcul de paramètres de Hamiltoniens effectifs

La complexité des systèmes magnétiques envisagés ainsi que le nombre d'électrons actifs nécessaires au calcul ab initio limite à une valeur assez basse la taille des systèmes modélisables. Il est donc tentant d'envisager des modélisations phénoménologiques des systèmes (voir partie suivante du dossier). Le logiciel de fonctionnelle de la densité dont nous disposons permettra d'extraire des paramètres pour ces modèles, à l'image par exemple de du Hamiltonien de liaisons fortes employé dans [26], dont les paramètres viennent de la méthode FLAPW.

La théorie de la fonctionnelle de la densité a ainsi permis par exemple de calculer des paramètres de couplage de Heisenberg pour des agrégats contenant du fer [27].

Les thèmes proposés ci-dessus ont bénéficié pour l'année 1999, après expertise, de l'attribution de 2000 heures de calcul monoprocesseur à l'IDRIS et de 5000 heures au CRIHAN.

Constantes d'élasticité au voisinage d'une marche de surface

A.Khater (université du Maine) et A. Virlouvet ont abordé récemment le problème du calcul des constantes d'élasticité au voisinage d'une marche de surface[28] par le biais des simulations numériques de type dynamique moléculaire, en utilisant des potentiels empiriques à N-corps pour décrire les interactions entre les atomes.

Le problème est d'intérêt et d'actualité, notamment pour des surfaces de métaux cubiques faces centrées qui se présentent comme un support technologique intéressant pour des applications potentielles à l'échelle mésoscopique. Il existe très peu de travaux sur cette question même s'il y a eu quelques résultats utiles [29], mais non concluants.

Il est donc important d'aborder ce problème avec des méthodes de calcul numérique plus avancées, telles que le logiciel de fonctionnelle de la densité dont nous disposons, compte tenu du besoin de précision dans un foyer de surface où la distribution électronique d'atomes subit des modifications importantes sur la marche et dans son voisinage. Cette méthode semble particulièrement bien adaptée pour calculer la distribution électronique au voisinage d'une marche de surface.

Calcul de la section efficace de la diffusion d'atome d'hélium en surface

Lorsqu'elle est opérationnelle à très haute résolution, la diffraction d'atomes d'hélium d'énergie thermique, HRHAS, est reconnue comme une des principales techniques pour l'étude expérimentale de la structure et de la dynamique de surfaces, ainsi que de la cinétique des adsorbats moléculaires sur surface.

Le potentiel de paires, souvent employé [30,31], est un simplification majeure de l'interaction entre l'atome d'hélium et un ensemble d'atomes concernés dans la surface. Il y a eu à notre connaissance très peu de travaux qui ont eu comme objet l'étude de l'interaction électronique, d'une manière détaillée, entre l'atome d'hélium et un ensemble d'atomes concernés dans la surface. La fonctionnelle de la densité semble capable de traiter cette question.

Dans un premier temps on pourra sélectionner un ensemble des atomes fixes sur des positions cristallographiques d'équilibre dans la première couche atomique de la surface, comme un agrégat statique, et faire interagir l'atome d'hélium qui arrive progressivement et dans l'espace réel et dans le temps, avec cet agrégat, via la DFT.

Dans un deuxième temps le problème dynamique doit être abordé en admettant que les atomes de la surface peuvent se déplacer dynamiquement à une température donnée.

Ces problèmes semblent abordables immédiatement avec le logiciel dont nous disposons. Ce point sera traité en collaboration avec A.Khater.

Reconstruction d'images de microscopie électronique

Sur un thème complètement différent, il est envisagé, en collaboration avec P.Laffez, de participer à la détermination de structures de matériaux par reconstruction numérique d'images de microscopie électronique. En fonction d'une structure supposée pour le matériau, il est en effet possible, grâce au logiciel MacTempas (qui ne s'exécute que sur Macintosh, mais qui est déjà disponible au laboratoire), de calculer l'image de microscopie électronique correspondante. Moyennant le développement d'un programme de corrélation entre l'image simulée et l'image réelle, il sera possible de vérifier la validité de la structure supposée du matériau.

Références

1: F. Calvayrac.
2: C. Kohl, S. M. El-Gammal, F. Calvayrac, E. Suraud et P.-G. Reinhard.
3: F. Calvayrac, E. Suraud et P.-G. Reinhard.
4: K. Wohrer, M. Chabot, R. Fossé, D. Gardès, P. A. Hervieux, F. Calvayrac, P.-G. Reinhard et E. Suraud.
5: C. Kohl, F. Calvayrac, P.-G. Reinhard et E. Suraud.
6: F. Calvayrac, P.-G. Reinhard et E. Suraud.
7: M. Knaup, F. Calvayrac, C. Kohl, P.-G. Reinhard, E. Suraud et C. Toepffer.
8: C. Kohl et G. F. Bertsch.
9: R. H. Swendsen, J.-S. Wang et A. M. Ferrenberg.
10: K. Capelle et E. K. U. Gross.
11: C. Cornaggia.
12: T. Ditmire, J. W. G. Tisch, E. Springate, M. B. Mason, N. Hay, R. A. Smith, J. Marangos et M. H. R. Hutchinson.
13: T. Ditmire, J. W. G. Tisch, E. Springate, M. B. Mason, N. Hay, J. P. Marangos et M. H. R. Hutchinson.
14: A. Slawska-Waniewska et J. M. Grenèche.
15: N. Randrianantoandro, A. Slawska-Waniewska et J. M. Grenèche.
16: N. Randrianantoandro, A. Slawska-Waniewska et J. M. Grenèche.
17: T. Oda, A. Pasquarello et R. Car.
18: C. Jamorski, A. Martinez, M. Castro et D. R. Salahub.
19: M. C. Michelini, R. P. Diez et A. H. Jubert.
20: A. Berces.
21: C. Massobrio, A. Pasquarello et A. D. Corso.
22: S. Veliah, K. Xiang, R. Pandey, J.-M. Recio et J. M. Newsam.
23: M. A. Ojeda, J. Dorantes-Davila et G. M. Pastor.
24: G. M. Pastor et K. H. Benneman.
25: J. A. Borchers, J. A. Dura, J. Unguris, D. Tulchinsky, M. H. Kelley, C. F. Majkrzak, S. Y. Hsu, R. Loloee, W. P. P. Jr. et J. Bass.
26: M. Freyss, D. Stoeffler et H. Dreyssé.
27: M. Czerwinski.
28: A. Virlouvet.
29: L. E. Shilkrot et D. J. Srolovitz.
30: J. M. Jackson et N. F. Mott.
31: A. Khater et J.-P. Toennies.

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The translation was initiated by Florent Calvayrac on 1999-07-05

Florent Calvayrac

1999-07-05