Spectres de photoémission de Quantum Monte Carlo et de la théorie des perturbations à plusieurs corps: le meilleur des deux mondes – PhemSpec

Dans ce projet, nous confrontons l'un des grands défis de la science de la matière et de la physique de la matière condensée: le développement d'approches prédictives et fiables pour décrire et comprendre les matériaux et, finalement, en prédire d'autres d'intérêt technologique stratégique. Une source unique d'informations sur la structure électronique et les excitations dans les matériaux est la photoémission. Dans ce projet, nous proposons de développer une stratégie originale pour accéder à ces spectres, même dans les situations où les approches standards échouent. Ceci sera réalisé en combinant de manière innovante la théorie des perturbations à plusieurs corps (MBPT) et le Quantum Monte Carlo (QMC).

Sur le plan expérimental, les rayonnements synchrotrons modernes peuvent fournir des informations détaillées sur les spectres de photoémission, grâce à leur haute intensité et à leur large gamme d'énergie photonique. Cependant, l'interprétation des données expérimentales est loin d'être évidente et la théorie représente un outil complémentaire essentiel. En particulier, les méthodes dites de premiers principes, telles que la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) et la MBPT, promettent d'être prédictives, puisqu'aucun paramètre empirique n'est impliqué. Cependant, les implémentations standards de ces méthodes fonctionnent raisonnablement bien pour des matériaux simples tels que les métaux et les semi-conducteurs standards (par exemple, Si ou GaAs) mais échouent pour les systèmes les plus fortement corrélés, qui sont d'une importance primordiale du point de vue scientifique et technologique. Un exemple paradigmatique de ce type de matériaux est le NiO paramagnétique, qui est incorrectement prédit comme étant un métal par des approximations standards. Ceci définit bien sûr des limites à la description et à la prédiction des transitions de phase métal-isolant.

Sur la base de nos récents développements, nous proposons ici de suivre une route différente et originale basée sur l'expression du PES en termes de matrices de densité à n corps (la méthode MEET). Les résultats préliminaires sur le NiO donnent un accord qualitativement correct avec l’expérience, mais il est clair que d'autres améliorations sont nécessaires. À ce but nous avons besoin de matrices de densité plus précises, que nous proposons d'obtenir du QMC. Le projet peut être divisé en deux parties:

1) Implémentation et calcul des matrices de densité à n corps avec le QMC et utilisation dans le MEET. Cette étape nous dira jusqu'à quelle matrice de densité nous devons arriver pour avoir un PES précis. Nous allons d'abord tester le paradigme MEET + QMC sur les métaux simples et les semi-conducteurs standards, puis sur les systèmes fortement corrélés, le NiO étant la première cible. Cette dernière tâche nécessite l'utilisation d'une fonction d'onde multi-déterminantale, qui est un domaine relativement inexploré et difficile pour les solides dans le QMC. Nous utiliserons donc les derniers développements réalisés dans nos groupes. La plate-forme idéale pour cette partie est le code open source QMCPACK.

2) L'étape suivante consiste à rendre les calculs du PSE plus efficaces, en utilisant uniquement des matrices de densité efficaces à 1 et 2 corps. Cette partie nécessite de nouveaux développements formels, qui seront effectués selon deux axes: i) la résummation approximative de matrices de densité d'ordre supérieur en utilisant une fonction de terminaison appropriée; ii) en utilisant un hamiltonien modèle qui inclut déjà un certain écrantage et en en dérivant les matrices de densité à 1 et 2 corps.

On peut s'attendre que le projet initie d'autres études, telles que: i) l'étude des transitions de phase; ii) le développement de meilleures approximations au potentiel d'échange-corrélation de la DFT et ses extensions; ii) l'extension de la même stratégie au calcul d'autres propriétés dans le QMC, telles que l'absorption et la spectroscopie de perte d'énergie.