Current status of deMon2k for the investigation of the early stages of matter irradiation by time-dependent DFT approaches

International audienceWe summarize in this article the recent progress made in our laboratories in the development of numerical approaches dedicated to investigating ultrafast physicochemical responses of biological matter subjected to ionizing radiations. Our modules are integrated into the deMon2k software which is a readily available program with highly optimized algorithms for conducting Auxiliary Density Functional Theory (ADFT) calculations. We have developed a computational framework based on Real-Time Time-dependent ADFT to simulate the electronic responses of molecular systems to strong perturbations, while molecular dynamics simulations in the ground and excited states (Ehrenfest dynamics) are available to simulate irradiation-induced ultrafast bond breaking/formation. Constrained ADFT and Multi-component ADFT have also been incorporated to simulate charge transfer processes and nuclear quantum effects, respectively. Finally, a coupling to polarizable force fields further permits to realistically account for the electrostatic effects that the systems’ environment has on the perturbed electron density. The code runs on CPU or hybrid CPU/GPU architectures affording simulations of systems comprised up to 1000 atoms at the DFT level with controlled numerical accuracy. We illustrate the applications of these methodologies by taking results from our recent articles that aimed principally at understanding experimental data from pulse radiolysis experiments.Nous résumons dans cet article les progrès récents réalisés dans nos laboratoires dans le développement d'approches numériques dédiées à l'étude des réponses physicochimiques ultrarapides de la matière biologique soumise à des radiations ionisantes. Nos modules sont intégrés dans le logiciel deMon2k qui est un programme facilement disponible avec des algorithmes hautement optimisés pour effectuer des calculs de théorie fonctionnelle de la densité auxiliaire (ADFT). Nous avons développé un cadre de calcul basé sur l'ADFT en temps réel dépendant du temps pour simuler les réponses électroniques des systèmes moléculaires à de fortes perturbations, tandis que des simulations de dynamique moléculaire dans les états fondamental et excité (dynamique d'Ehrenfest) sont disponibles pour simuler la rupture/formation de liaisons ultrarapides induite par l'irradiation. L'ADFT sous contrainte et l'ADFT multicomposant ont également été incorporés pour simuler les processus de transfert de charge et les effets quantiques nucléaires, respectivement. Enfin, un couplage avec des champs de force polarisables permet de prendre en compte de manière réaliste les effets électrostatiques de l'environnement du système sur la densité électronique perturbée. Le code fonctionne sur des architectures CPU ou hybrides CPU/GPU permettant des simulations de systèmes comprenant jusqu'à 1000 atomes au niveau DFT avec une précision numérique contrôlée. Nous illustrons les applications de ces méthodologies en prenant des résultats de nos articles récents qui visaient principalement à comprendre les données expérimentales provenant d'expériences de radiolyse pulsée