Quantum Monte Carlo methods for electronic structure calculations : application to hydrogen at extreme conditions

Méthodes de Monte Carlo quantique pour le calcul des structures électroniques : application à l'hydrogène dans des conditions extrêmes Le problème de la métallisation de l'hydrogène, posé il y a près de 80 ans, a été désigné comme la troisième question ouverte en physique du XXIe siècle. En effet, en raison de sa légèreté et de sa réactivité, les informations expérimentales sur l'hydrogène à haute pression sont limitées et extrêmement difficiles à obtenir. Il est donc essentiel de mettre au point des méthodes précises pour guider les expériences. Dans cette thèse, nous nous concentrons sur l'étude de la structure électronique, y compris les phénomènes d'état excité, en utilisant les techniques de Monte Carlo quantique (QMC). En particulier, nous développons une nouvelle méthode de calcul pour le gap accompagnée d'un traitement précis de l'erreur induit par la taille finie de la cellule de simulation. Nous établissons un lien formel entre l'erreur de la taille finie et la constante diélectrique du matériau. Avant d'étudier l'hydrogène, la nouvelle méthode est testée sur du silicium cristallin et du carbone de diamant, pour lesquels des informations expérimentales sur l'écart sont disponibles. Nos résultats montrent que le biais dû à la supercellule de taille finie peut être corrigé, de sorte que des valeurs précises dans la limite thermodynamique peuvent être obtenues pour les petites supercellules sans avoir besoin d'une extrapolation numérique. Comme l'hydrogène est un matériau très léger, les effets quantiques nucléaires sont importants. Une description précise des effets nucléaires peut être réalisée par la méthode de Monte Carlo à ions et électrons couplés (CEIMC), une méthode de simulation des premiers principes basée sur le QMC. Nous utilisons les résultats de la méthode CEIMC pour discuter les effets quantiques et thermiques des nuclei sur des propriétés électroniques. Nous introduisons une méthode formelle de traitement du gap électronique et de la structure des bandes à température finie dans l'approximation adiabatique et discutons des approximations qui doivent être faites. Nous proposons également une nouvelle méthode pour calculer des propriétés optiques à basse température, qui constituera une amélioration par rapport à l'approximation semi-classique couramment utilisée. Enfin, nous appliquons tout le développement méthodologique de cette thèse pour étudier la métallisation de l'hydrogène solide et liquide. Nous constatons que pour l'hydrogène moléculaire dans sa structure cristalline parfaite, le gap QMC est en accord avec les calculs précédents de GW. Le traitement des effets quantiques nucléaires entraîne une forte réduction du gap (2 eV). Selon la structure, le gap indirect fondamental se ferme entre 380 et 530 GPa pour les cristaux idéaux et 330-380 GPa pour les cristaux quantiques, ce qui dépend moins de la symétrie cristalline. Au-delà de cette pression, le système entre dans une phase de mauvais métal où la densité des états au niveau de Fermi augmente avec la pression jusqu'à 450-500 GPa lorsque l'écart direct se ferme. Notre travail soutient en partie l'interprétation des récentes expériences sur l'hydrogène à haute pression. Nous explorons également la possibilité d'utiliser une représentation multidéterminante des états excités pour modéliser les excitations neutres et calculer la conductivité via la formule de Kubo. Nous avons appliqué cette méthodologie à l'hydrogène cristallin idéal et limité au niveau de Monte Carlo variationnel de la théorie. Pour l'hydrogène liquide, la principale conclusion est que la fermeture du gap est continue et coïncide avec la transition de dissociation moléculaire. Nous avons été en mesure d'étalonner les fonctions de la théorie fonctionnelle de la densité (DFT) en nous basant sur la densité QMC des états. En utilisant les valeurs propres des calculs Kohn-Sham corrigé par QMC pour calculer les propriétés optiques dans le cadre de la théorie de Kubo-Greenwood , nous avons constaté que l'absorption optique théorique calculée précédemment s'est déplacée vers des énergies plus faibles.