Méthodes computationnelles qui résolvent des équations fondamentales sans paramètres empiriques.Les calculs ab initio sont des méthodes computationnelles qui résolvent les équations fondamentales de la physique — telles que l'équation de Schrödinger ou l'équation de Dirac — sans ajustement à des données expérimentales ni utilisation de paramètres empiriques. Ils visent à prédire les propriétés d'un système à partir de zéro, en utilisant uniquement les lois de la mécanique quantique et les constantes connues de la nature. Cette approche est puissante car elle peut décrire des matériaux, des molécules, et même des systèmes exotiques comme les branes noires sans connaissance préalable de leur comportement, ce qui en fait une pierre angulaire de la physique et de la chimie computationnelles modernes.
Le domaine a débuté dans les années 1920 avec les premiers calculs de mécanique quantique sur les atomes, mais il est devenu pratique dans les années 1960 après que Walter Kohn et Pierre Hohenberg ont établi les fondements théoriques de la DFT, puis avec le développement d'algorithmes efficaces dans les années 1980 et 1990.
L'implémentation la plus courante est la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT), qui approxime le problème quantique à N corps en se concentrant sur la densité électronique plutôt que sur les fonctions d'onde individuelles. Les équations sont résolues de manière itérative sur ordinateur, souvent en utilisant une méthode de champ auto-cohérent : on commence par une estimation de la densité électronique, on calcule le potentiel, on résout pour de nouvelles fonctions d'onde, on met à jour la densité, et on répète jusqu'à convergence. Pour des systèmes plus exotiques, comme les branes noires en gravité holographique, les calculs ab initio peuvent impliquer la résolution numérique des équations d'Einstein sans supposer une forme de solution spécifique.
Les calculs ab initio sont utilisés pour concevoir de nouveaux matériaux pour batteries, prédire les propriétés de catalyseurs, et simuler le comportement de la matière dans des conditions extrêmes, comme dans les intérieurs planétaires ou la fusion par confinement inertiel.
Les calculs ab initio peuvent prédire l'existence de nouveaux matériaux avant même qu'ils ne soient synthétisés, guidant ainsi les expérimentateurs vers des candidats prometteurs.
