Formalismes et méthodes pour le calcul de la réponse linéaire des systèmes isolés

Computational methodologies for the linear response of isolated systems

• Auteur / Autrice : Maxime Morinière
• Direction : Thierry Deutsch
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de la matière condensée et du rayonnement
• Date : Soutenance le 15/12/2016
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Modélisation et exploration des matériaux (Grenoble ; 2016-....)
• Jury : Président / Présidente : Mark Earl Casida
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fernand Spiegelman, Luigi Genovese
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Eleonora Luppi, Eric Cancès

Mots clés

Mots clés contrôlés

Physique de l'état solide

Spectroscopie électronique

Mots clés libres

Physique du solide

TDDFT

États résonants

Resonant states

Excited states

Many-Body perturbation theory

Résumé

La réponse linéaire de la théorie de la fonctionnelle de la densité dépendante du temps est étudiée dans le cadre du formalisme d'ondelettes du code BigDFT, qui permet d'exprimer les fonctions d'onde électroniques sur une grille de simulation dans l'espace réel. L'objectif est de déterminer un spectre d'excitations de référence pour un système et un potentiel d'échange-corrélation donnés.Il apparaît que seule une partie du spectre, concernant les transitions entre orbitales liées, peut être facilement amenée à convergence par rapport aux paramètres d'entrée de BigDFT, que sont l'extension de la grille de simulation et le nombre d'orbitales du continuum qui sont considérées pour le calcul des spectres. L'énergie de la dernière orbitale inoccupée utilisée dans les calculs se révèle d'ailleurs être un paramètre plus important que ce nombre d'orbitales inoccupées. La justification vient de l'étude de la complétude des bases formées par les orbitales de l'état fondamental du système. Tout ceci permet de porter un regard neuf sur les résultats obtenus avec le formalisme à base gaussienne, tel qu'implémenté dans le code NWChem.En ce qui concerne la convergence du spectre de plus haute énergie, concernant des transitions entre orbitales occupées et orbitales inoccupées du continuum, l'espoir d'une convergence se heurte au problème du tassement du continuum. Il faut alors songer à une manière différente de capter l'information contenue dans ce continuum.Le formalisme des états résonants, dont les fondements ont été posés lors de la première moitié du XXème siècle, est une piste très encourageante pour cela. Une étude préliminaire dans le cas du puits de potentiel carré à une dimension est donc présentée. La première étape a consisté en la détermination de ces états résonants, dont les énergies et fonctions d'onde sont complexes. Une normalisation a notamment pu leur être attribuée. Il est ensuite montré, sous certaines conditions, que la base formée par les états propres de ce potentiel, dont une partie est constituée par les états du continuum, peut être efficacement remplacée par une base discrète et complète faite d'états résonants. Des applications numériques montreront qu'ils peuvent être avantageusement utilisés pour définir la fonction de Green ou encore calculer la propagation temporelle d'un paquet d'onde.

The linear response on the time-dependent density functional theory is studied in the wavelets formalism used in the BigDFT code, that allows the representations of electronic wave-functions on a simulation grid in real space. The goal of this study is to determine a reference excitation spectrum for a given system and exchange-correlation potential.It appears that only one part of the spectrum can be easily brought to convergence with respect to the input parameters of BigDFT, which are the simulation grid extension and the number of unoccupied continuum orbitals considered in the spectrum calculation. The energy of the last unoccupied orbital used actually proves to be more important as a parameter than this number of unoccupied orbitals. This is justified by the study of the completeness of the basis sets made of the ground state orbitals of the system. This gives another point of view regarding spectrum obtained by using the Gausian basis sets formalism, as the one implemented in the code NWChem.As to the convergence of the spectrum at higher energy, concerning transitions between occupied orbitals and unoccupied orbitals of the continuum, the hope for a convergence faces the problem of the continuum collapse. One therefore has to think of another way of retrieving the data contained in this continuum.The resonant states formalism, whose foundations were laid in the first half of the 20th century, is very encouraging in this regard. A preliminary study in the case of the one-dimension square well potential is therefore presented. The first step consisted in the determination of these resonant states, whose energies and wavefunctions are complex valued in general. Their normalization was also clearly defined. It is then shown, under certain conditions, that the basis set formed by the eigenstates of this potential, including the continuum states, can be efficiently replaced by a discrete and complete basis set made of resonant states. Numerical applications also show that these states can also be advantageously used to define the Green's function or even compute the time propagation of a wavepacket.