MARVEL remporte un prix pour des recherches sur les matériaux 2D

Le tout premier prix PRACE (Partnership for Advanced Computing in Europe) HPC Excellence Award a été décerné à une équipe dirigée par le professeur Nicola Marzari, directeur du Laboratoire de théorie et simulation des matériaux de la Faculté STI à l'EPFL et du Laboratoire de simulation des matériaux du PSI, et également directeur du NCCR MARVEL. Ce prix d’une valeur de 20 000 euros est attribué à «une personne ou une équipe exceptionnelle pour des recherches révolutionnaires qui aboutissent à des avancées significatives dans un domaine de recherche grâce à l’utilisation du calcul haute performance». Il récompense les efforts de l’équipe dans la découverte et la caractérisation de nouveaux matériaux bidimensionnels.

Les travaux de recherche primés ont été initialement décrits en 2018 dans un article de la revue Nature Nanotechnology intitulé «Matériaux bidimensionnels issus de l’exfoliation computationnelle à haut débit des composés expérimentaux connus». Ils visaient à accélérer la découverte de matériaux : tandis que les travaux, récompensés par un prix Nobel, portant sur la production et la caractérisation du graphène ont fait des matériaux 2D une réalité il y a 15 ans, les progrès en matière d’identification de nouveaux matériaux 2D étaient lents – seuls quelques-uns avaient pu être identifiés de manière expérimentale.

Alors qu’il était clair qu’une approche computationnelle pouvait permettre de relever le défi consistant à identifier, parmi les centaines de milliers de composés connus, ceux qui pouvaient effectivement être exfoliés ou être stables sous forme de monocouches 2D, des problèmes fondamentaux subsistaient. Comment établir si une structure cristalline pouvait être ou non exfoliée ? Comment traiter et finalement effectuer des simulations sur un vaste ensemble de matériaux candidats ? Comment rationaliser les prédictions pour passer de manière plus fiable et automatique de la structure à la propriété ?

Nicola Marzari et son équipe ont répondu à toutes ces questions par une approche intensive axée sur les données et le calcul, en parvenant à réduire un champ de 108 423 composés inorganiques uniques, connus expérimentalement, à un peu moins de 2 000 qui pouvaient être exfoliés en nouveaux matériaux 2D. Ensuite, ils ont étudié les propriétés vibrationnelles, électroniques, magnétiques et topologiques du sous-ensemble des 258 composés les plus intéressants, en identifiant les nouveaux matériaux magnétiques, les demi-métaux et les demi-semiconducteurs. La richesse de cet ensemble a ensuite été explorée dans plus d’une dizaine d’études supplémentaires, en examinant les performances optimales dans différentes applications, du transport électronique à la supraconductivité et à la topologie de bande. Cela a abouti à la découverte du tout premier isolant topologique Kane-Mele, au matériau 2D supraconducteur avec la température critique la plus élevée et au transistor spintronique à effet de champ (spin-FET) le plus performant.

Aucune de ces avancées n’aurait été possible sans une nouvelle approche des calculs et des données. L’étude initiale à haut débit a contraint l’équipe à effectuer un demi-million de calculs sur des milliers de matériaux différents, en combinant souvent plusieurs programmes pour cibler des propriétés complexes. Le faire manuellement aurait non seulement nécessité d’immenses efforts et une main-d’œuvre considérable, mais cela aurait aussi favorisé les erreurs et rendu le processus non reproductible.

Ce défi a amené l’équipe à aborder le calcul haute performance (HPC) de façon radicalement nouvelle, à trouver une solution pour traiter ces calculs de manière automatique, robuste et fiable, tout en conservant un enregistrement totalement reproductible de l’ensemble des protocoles de calcul et des workflows. Le développement de la plateforme informatique centrale à MARVEL fut déterminante : AiiDA (https://www.aiida.net) en tant qu’infrastructure pour automatiser, gérer, maintenir, partager et reproduire l’ensemble des workflows et des données complexes, et Materials Cloud (https://www.materialscloud.org/discover/mc2d) pour les diffuser à toute la communauté. AiiDA peut traiter simultanément des milliers de calculs, en automatisant le processus de soumission et de contrôle, ainsi que la récupération et le stockage des résultats. On peut ensuite exposer l’ensemble du workflow avec les données brutes et organisées sur Materials Cloud.

Par ailleurs, chaque membre de l’équipe qui partagera le prix, et qui se trouvait à l’EPFL au moment des recherches, a maintenant évolué vers des postes indépendants dans le monde entier: Nicolas Mounet, chercheur scientifique au CERN; Marco Gibertini, professeur assistant à l’Université de Modène et de Reggio Emilia; Philippe Schwaller, professeur assistant à l’EPFL, Davide Campi, professeur assistant à l’Université de Milan-Bicocca; Andrius Merkys, chercheur à l’Université de Vilnius; Antimo Marrazzo, jeune professeur assistant à l’Université de Trieste; Thibault Sohier, chercheur au CNRS, Laboratoire Charles Coulomb; Ivano E. Castelli, professeur associé à l’Université technique du Danemark; Andrea Cepellotti, chercheur à l’Université de Harvard; Giovanni Pizzi, scientifique chevronné à l’EPFL et responsable de groupe au PSI, et Nicola Marzari à l’EPFL. Ils sont tous très reconnaissants envers le Centre suisse de calcul scientifique et PRACE qui leur ont apporté le soutien et les ressources informatiques utiles à l’ensemble de ces recherches.

Le prix sera présenté à la conférence PASC22, qui se déroulera du 27 au 29 juin 2022 à Bâle (Suisse).