Proposition de création d'un GDR - Historique des versions

Nadia : /* Méthodes corrélées pour la structure électronique */

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Méthodes corrélées pour la structure électronique

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Méthodes corrélées pour la structure électronique

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Méthodes corrélées pour la structure électronique

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=Méthodes corrélées pour la structure électronique=

Il est inutile de rappeler ici l'importance que revêt la possibilité de comprendre et de quantifier les
processus électroniques à l'oeuvre dans les systèmes moléculaires complexes. Les défis sont tout
aussi bien scientifiques -comprendre l'univers qui nous entoure- que technologiques : mise au point
de nouveaux matériaux, de nouveaux médicaments (drug design), catalyse, biochimie, etc.
Bien que des progrès importants aient été faits dans les décennies passées tant au niveau des
méthodes que des plateformes calculatoires (High Performance Computing) il faut souligner qu'il
n'existe pas encore de méthode universelle qui serait à la fois fiable (erreur contrôlée), générale
(système arbitraire) et efficace (effort numérique sous contrôle).
Ce projet part de l'impression que, en France, les efforts consacrés au développement
méthodologique sont en-dessous de ce qu’on pourrait espérer. En particulier, le nombre d'étudiants
formés à ces thématiques est relativement faible. Cette situation se solde par une présence de plus
en plus faible de la communauté française dans le débat méthodologique international, et la quasi
absence dans la production française de codes de calculs largement diffusés, même si une partie de
la communauté (en chimie et aussi en matière condensée) participe au développement de codes
internationaux.

Le but du GdR proposé est de favoriser les échanges entre les méthodologistes (physiciens et
chimistes) qui travaillent au sein des laboratoires. Après quelques contacts informels, il nous est
apparu que le nombre de ces chercheurs est plus nombreux qu'on pourrait le penser à première vue,
et qu'il existe une demande forte d'une structure leur permettant d'interagir de façon à la fois plus
officielle et plus régulière. Le GdR s'adresse à toutes les personnes concernées par les
développements de méthodes permettant de calculer la corrélation électronique, que ce soit les
méthodes basées sur la fonction d'onde (perturbation, Interaction de Configurations (IC), Coupled
Cluster (CC)...), le Quantum Monte Carlo (QMC), le Density Matrix Renormalization Group
(DMRG), la Density Functional Theory (DFT) ou autres. En ce qui concerne la DFT, notre but est
distinct de celui du GdR DFT, puisqu'il ne concernera que les développements méthodologiques de
la DFT.

Actuellement, la méthode de routine pour le calcul électronique (tant au niveau de la communauté
académique qu'industrielle) est l'approche DFT qui réalise un bon compromis entre fiabilité et
efficacité. La DFT permet en effet de faire des calculs d'une précision raisonnable avec une
croissance modérée de l'effort numérique en fonction de la taille du système traité.
Malheureusement, la DFT sous sa forme actuelle n'est pas encore l'approche ultime qui permettrait
de relever les défis scientifiques et technologiques mentionnés plus haut. La limitation principale de
la DFT est liée à la difficulté de contrôler l'erreur provenant du choix particulier de la fonctionnelle
approchée. A l'heure actuelle, il n'y a malheureusement pas de stratégie systématique pour améliorer
efficacement la précision d'un calcul dans le cadre de la DFT. D'autres problèmes sont connus pour
être mal pris en compte par la DFT: calcul des forces à longues distances (dispersion), états excités
ayant un caractère multi-excitonique, brisures de liaisons chimiques, systèmes magnétiques
multicentriques, etc.

L'alternative principale à la DFT repose sur l'utilisation d'un développement systématique de la
fonction d'onde au moyen de fonctions élémentaires. D'une manière générique, elles sont connues
sous le nom de « méthodes post-Hartree-Fock » (CI, MPn, CC, MRCI, etc.). Ces méthodes
permettent un contrôle précis de l'erreur grâce à la possibilité d'une augmentation systématique de la
qualité des calculs. Elles permettent également une bonne prise en compte des aspects
multiconfigurationnels tant au niveau des états fondamentaux que des états excités. Ces méthodes
basées sur la fonction d'onde permettent une analyse physique des divers aspects de la corrélation
électronique (corrélation dynamique versus non dynamique, polarisation de spin, respiration
orbitalaire, etc...). A la différence de la DFT, les méthodes basées sur la fonction d'onde donnent
non seulement une densité électronique mais une information sur sa fluctuation. Malheureusement,
ces avantages sont associés à un prix calculatoire qui peut devenir exorbitant pour les systèmes de
grande taille. En pratique, ce dernier aspect limite beaucoup l'utilisation de ces méthodes.

'''En résumé, malgré l'importance primordiale des simulations dans le domaine de la structure électronique, les méthodes utilisées restent encore très imparfaites. Les méthodes DFT, qui sont -de loin- les méthodes les plus utilisées actuellement, réalisent un bon compromis mais ont des limitations sérieuses. Les méthodes post-HF qui permettent de s'affranchir de certaines de ces limitations coûtent malheureusement trop cher pour qu'on puisse les considérer comme une alternative raisonnable pour les très gros systèmes. Beaucoup d'efforts ont été faits ces dernières années, souvent de façon isolée et indépendante, tant au niveau méthodologique que technologique, afin de disposer d'outils d'approche de la structure électronique plus satisfaisants. Parallèlement à d'autres développements indispensables, il semble opportun de faire le bilan du travail déjà effectué pour mettre au point les outils qui valoriseront ces efforts. Pour cela une coordination plus grande entre groupes de méthodologistes/développeurs nous semble nécessaire.'''

Ces efforts doivent être portés à différents niveaux :
# Au niveau des méthodes DFT elles-mêmes qui, comme cela a été souligné précédemment, doivent continuer à être développées :
#* Mise au point de nouvelles fonctionnelles d'échange-corrélation
#* Prise en compte des forces à longue portée
#* Traitement des états excités (Théorie de la réponse)
#* etc.
# Au niveau de l'interface entre les méthodes DFT et les méthodes post-HF : mettre ensemble le « meilleur des deux mondes »
#* Couplage des méthodes DFT et CI (ou CC, MP2)
# Au niveau des méthodes post-HF:
#*Etat fondamental de systèmes à couches fermées :
#** Tendre vers le « N-scaling » : CI, Perturbation, Coupled Cluster
#** Tendre vers l'énergie exacte : approches r12
#** Approches « Valence Bond »
#* Etats quasi-dégénérés, états excités :
#** aspect formel des stratégies multiréférentielles (MRCC, MRPT, MRCI)
#** aspect pratique : tendre vers le N-scaling (MRCI en orbitales localisées)
#* etc...
# Faire émerger d'autres voies ?
#* Quantum Monte Carlo (QMC)
#* Density Matrix Renormalization Group (DMRG)
#* Dynamical Mean Field Theory (DMFT)
#* Méthodes basées sur les matrices-densités
#* etc.
Cette liste mentionne quelques grandes directions mais n'a pas vocation à être exhaustive.

'''L'objectif de cette demande de création d'un GDR est de fédérer la communauté française de chimistes et de physiciens travaillant autour des développements méthodologiques pour la structure électronique.'''

Les bénéfices principaux qu'on peut attendre d'une telle fédération sont de plusieurs sortes :
* Mise en contact des chercheurs travaillant sur la même problématique (le problème à N-corps)
avec des outils différents (possibilité de croiser les idées).
* Possibilité de repérer des collaborations et des synergies.
* Possibilité de repérer plus facilement des aspects insuffisamment étudiés en France.
* Possibilité d'organiser des formations et de mettre en contact les doctorants.
* Possibilité de mettre en commun les codes et les interfaces pour éviter les redites et favoriser
une réelle interopérabilité entre les différents programmes de calcul. A cet égard, on peut citer
l'initiative Q5cost qui se poursuit au niveau européen au sein du groupe COST D37.
* Possibilité de rendre beaucoup plus cohérente et réactive la communauté française du calcul
électronique vis à vis des différentes initiatives et grands instruments mis en place tant au niveau
national qu'européen : Calculs sur grille (Institut des grilles du CNRS), parallélisme massif
(machines massivement parallèles installées dans les grands centres nationaux), maison(s) de la
simulation (en cours de réalisation), participation au demandes dans le cadre du programme
européen FP7 (projet SchemA), nouvelles initiatives autour du CECAM, réseau Psi-k, etc.

A l’initiative d'un groupe de membres du laboratoire de Chimie et Physique Quantiques de
Toulouse : Nadia Ben Amor, Michel Caffarel, Stefano Evangelisti, Timo Fleig, Xavier Gadéa,
Sophie Hoyau, Thierry Leininger, Jean-Paul Malrieu, Daniel Maynau, Antonio Monari, Anthony
Scemama, Fernand Spiegelman.

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 ==Méthodes corrélées pour la structure électronique==
-Ce projet de création de GDR trouve son origine dans le constat d’une diminution inquiétante des efforts consacrés aux développements méthodologiques au sein de la communauté de Chimie Quantique française. Cette situation se solde par une présence peu lisible de la communauté française dans le débat méthodologique international et la quasi-absence de codes de calculs largement diffusés émanant de la production française, bien qu’une partie de la communauté participe au développement de codes internationaux. A ceci s’ajoute le peu d’attractivité des thématiques de développement de méthodes vis-à-vis des étudiants qui sont beaucoup plus attirés par des applications nécessitant de gros moyens informatiques associés à des codes commerciaux utilisables clé en main. Cependant les défis de la Chimie Théorique à plus ou moins long terme sont énormes avec des enjeux très importants tels la mise au point in silico de nouveaux matériaux, de nouveaux médicaments (drug design), la simulation de processus et de structures complexes en catalyse, biochimie ou dans le domaine des nanotechnologies pour ne citer que quelques exemples. Toutefois, bien que des progrès importants aient été réalisés ces dernières décennies, tant au niveau des méthodes que des plateformes calculatoires (High Performance Computing) il est clair qu'il n'existe pas encore de méthode de calcul électronique universelle qui soit à la fois fiable (erreur systématique pouvant être réduite à volonté au prix d'un temps de simulation de plus en plus important), générale -c'est à dire valable pour un système arbitraire- et efficace (besoins en CPU et en mémoire augmentant modérément avec la taille du système).
+Ce projet de création de GDR trouve son origine dans le constat d’une diminution inquiétante des efforts consacrés aux développements méthodologiques au sein de la communauté de chimie quantique française. Cette situation se solde par une présence peu lisible de la communauté française dans le débat méthodologique international et la quasi-absence de codes de calculs largement diffusés émanant de la production française, bien qu’une partie de la communauté participe au développement de codes internationaux. A ceci s’ajoute le peu d’attractivité des thématiques de développement de méthodes vis-à-vis des étudiants qui sont beaucoup plus attirés par des applications nécessitant de gros moyens informatiques associés à des codes commerciaux utilisables clé en main. Cependant les défis de la chimie théorique à plus ou moins long terme sont énormes avec des enjeux aussi importants que la mise au point in silico de nouveaux matériaux, de nouveaux médicaments (drug design), la simulation de processus et de structures complexes en catalyse, biochimie ou dans le domaine des nanotechnologies pour ne citer que quelques exemples. Toutefois, bien que des progrès importants aient été réalisés ces dernières décennies, tant au niveau des méthodes que des plateformes calculatoires (High Performance Computing) il est clair qu'il n'existe pas encore de méthode de calcul électronique universelle qui soit à la fois fiable (erreur systématique pouvant être réduite à volonté au prix d'un temps de simulation de plus en plus important), générale -c'est à dire valable pour un système arbitraire- et efficace (besoins en CPU et en mémoire augmentant modérément avec la taille du système).
-Le but du GDR proposé est de favoriser les échanges entre méthodologistes qui travaillent au sein des laboratoires français et donc de mieux fédérer la communauté. Après quelques contacts informels, il nous est apparu que le nombre de ces chercheurs est plus nombreux qu'on pourrait le penser à première vue et qu'il existe une demande forte d'une structure permettant d'interagir de façon à la fois plus officielle et plus régulière afin d’éviter les phénomènes de dispersion. Le GDR s'adresse à toutes les personnes concernées par les développements des méthodes permettant de calculer la corrélation électronique, que ce soit les méthodes basées sur la fonction d'onde (perturbation, interaction de configurations, coupled-cluster, etc.), les méthodes basées sur la fonctionnelle de la densité ou les méthodes moins  « mâtures » mais à fort potentiel comme le QMC, le DMRG, les approches basées sur la matrice-densité, etc.
+L'alternative principale à la DFT repose sur l'utilisation d'un développement systématique de la fonction d'onde au moyen de fonctions élémentaires et l'optimisation des différents paramètres intervenant dans ce développement. D'une manière générique, elles sont connues sous le nom de « méthodes post-Hartree-Fock » (CI, MPn, CC, MRCI, CASPT2, etc.). Contrairement aux méthodes DFT, elles permettent un contrôle beaucoup plus précis de l'erreur grâce à la possibilité d'une augmentation systématique de la qualité des calculs. Elles permettent également une bien meilleure prise en compte des aspects multiconfigurationnels tant au niveau des états électroniques fondamentaux que des états excités. Malheureusement ces avantages sont associés à un prix calculatoire qui peut devenir exorbitant pour les systèmes de grande taille. Ces méthodes sont le plus souvent utilisées soit pour des systèmes moléculaires de petite taille (une dizaine d’atomes), soit comme étapes de validation de méthodes plus approchées, dont la DFT, soit pour élaborer des modèles théoriques utilisables pour des systèmes de plus grande taille (hamiltoniens modèles, par exemple).
-Liens avec autres GDR: Dans les années passées le GDR DFT puis DFT++ ont rassemblé chimistes et physiciens autour de la thématique unique de la DFT. En créant récemment le GDR CoDFT, les physiciens ont exprimé le besoin de recentrer leurs efforts sur les développements méthodologiques en DFT pour des applications en physique. Notre proposition de GDR pour la communauté des chimistes s'inscrit dans une démarche parallèle et complémentaire. Ce GDR concernera les développements méthodologiques pour des applications en chimie, ce qui inclue bien évidemment la DFT mais aussi un grand nombre d'autres méthodes.
+Le but du GDR proposé est de favoriser les échanges entre méthodologistes qui travaillent au sein des laboratoires français et donc de mieux fédérer la communauté. Après quelques contacts informels, il nous est apparu que le nombre de ces chercheurs est plus nombreux qu'on pourrait le penser à première vue et qu'il existe une demande forte d'une structure permettant d'interagir de façon à la fois plus officielle et plus régulière afin d’éviter les phénomènes de dispersion. Le GDR s'adresse à toutes les personnes concernées par les développements des méthodes permettant de calculer la corrélation électronique, que ce soit les méthodes basées sur la fonction d'onde (perturbation, interaction de configurations, coupled-cluster, etc.), les méthodes basées sur la densité électronique ou les méthodes moins « mâtures » mais à fort potentiel comme le QMC, le DMRG, les approches basées sur la matrice-densité, etc.
 Les objectifs que nous aimerions atteindre sont les suivants:
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 ● Confronter les expériences de chacun et créer un réseau
-● Diffuser plus largement les méthodes alternatives à fort potentiel mal représentées en France, en particulier celles permettant de traiter des cas de structure électroniques compliqués
+● Diffuser plus largement les méthodes alternatives à fort potentiel mal représentées en France, en particulier celles permettant de traiter des cas de structures électroniques compliquées
 ● Apporter aux doctorants et aux jeunes chercheurs des formations de pointe au niveau doctoral
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 ● Initier et supporter des initiatives autour du problème de la diffusion et de la valorisation des codes français
-● Rendre beaucoup plus cohérente et réactive la communauté française du calcul électronique vis à vis des différentes initiatives et grands instruments mis en place tant au niveau national qu'européen: Calculs sur grille (Institut des grilles du CNRS), parallélisme massif (machines massivement parallèles installées dans les grands centres nationaux), maison(s) de la simulation (en cours de réalisation), participation au demandes dans le cadre du programme européen FP7, nouvelles initiatives autour du CECAM, etc.
+● Rendre beaucoup plus cohérente et réactive la communauté française du calcul électronique en chimie vis à vis des différentes initiatives et grands instruments mis en place tant au niveau national qu'européen: Calculs sur grille (Institut des grilles du CNRS), parallélisme massif (machines massivement parallèles installées dans les grands centres nationaux), maison(s) de la simulation (en cours de réalisation), participation au demandes dans le cadre du programme européen FP7, nouvelles initiatives autour du CECAM, etc.

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