Development and applications of theoretical algorithms for simulations of materials at extreme conditions

Materials at extreme conditions exhibit properties that differ substantially from ambient conditions. High pressure and high temperature expose anharmonic, non-linear behavior, and can provoke phase transitions among other effects. Experimental setups to study that sort of effects are typically costly and experiments themselves are laborious. It is common to apply theoretical techniques in order to provide a road-map for experimental research. In this thesis I cover computational algorithms based on first-principles calculations for high-temperature and high-pressure conditions. The two thoroughly described algorithms are: 1) the free energy studies using temperature-dependent effective potential method (TDEP), and 2) a higher-order elastic constants calculation procedure. The algorithms are described in an easy to follow manner with motivation for every step covered. The Free energy calculation algorithm is demonstrated with applications to hexagonal close-packed Iron at the conditions close to the inner Earth Core’s. The algorithm of elastic constants calculation is demonstrated with application to Molybdenum, Tantalum, and Niobium. Other projects included in the thesis are the study of effects of van der Waals corrections on the graphite and diamond equations of state.Material vid extrema förhållanden uppvisar egenskaper som skiljer sig avsevärt från omgivningsförhållanden. Högt tryck och hög temperatur exponera anharmonicity, icke-linjärt beteende, och kan framkalla fasövergångar bland andra effekter. Experimentella uppställningar för att studera denna typ av effekter är vanligtvis dyra och experiment själva är mödosam. Det är vanligt att tillämpa teoretiska metoder för att ge en färdplan för experimentell forskning. I denna avhandling täcker jag beräkningsalgoritmer baserat på första principer beräkningar för hög temperatur och högt tryck. De två grundligt beskrivna algoritmer är: 1) den fria energin studier med temperaturberoende effektiv potentiell metod (TDEP), och 2) en högre ordning elastiska konstantberäkningsproceduren. Algoritmerna beskrivs i en lätt att följa sätt med motivation för varje steg som omfattas. Den fria energiberäkningsalgoritm visas med program till hexagonal tätpackad järn på villkoren nära jordens inre kärna. Algoritmen av elastiska konstanter beräkning demonstreras med tillämpning till molybden, tantal, och niob. Andra projekt som ingår i avhandlingen är effekterna av van der Waals-korrigeringar på tillståndsekvation och elastiska konstanter i grafit och diamant