大規模相対論的量子化学計算手法の開発と新元素戦略への応用

• Project/Area Number: 12J07987
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Physical chemistry
• Research Institution: Waseda University
• Principal Investigator: 清野 淳司 早稲田大学, 理工学術院, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2012-04-01 – 2015-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2014)
• Budget Amount: ¥3,630,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2014: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2013: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000); Fiscal Year 2012: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000)
• Keywords: 相対論的量子化学 / 大規模分子論 / 解析的微分法 / 分子物性計算 / 電子反発積分 / 随伴座標展開-移行漸化関係式法 / 重元素化合物 / 大規模分子理論 / 分割統治法 / 局所ユニタリー変換 / 内殻固定ポテンシャル法 / 電子相関 / 量子電磁気学効果 / 2成分相対論

Outline of Annual Research Achievements

本年度は昨年度までに開発してきた、あらゆる分子系で正しく電子の挙動を表現できる理論を種々の分子物性に適用し、実験値と比較することで精度検証を行った。また任意の重元素化合物計算で律速となる、電子反発積分（ERI）に対して最適なアルゴリズムの開発を行った。
1.高精度相対論的電子状態理論に基づく種々の分子物性に対する精度検証: 昨年度までに、高効率・高精度に相対論的ハミルトニアンを与える、無限次Dougals-Kroll-Hess（IODKH）法を基盤にした局所ユニタリー変換（LUT）法を開発し、さらに分子物性・分子構造決定に不可欠となる解析的微分法の確立を行ってきた。これまではハミルトニアンの1階微分により求まる各原子に働く力から、構造最適化計算を行ってきたが、本年度は2階微分から求まる分子物性をプログラム実装した。本プログラムを用いて、種々の2原子分子における振動数、力の定数、ゼロ点エネルギー、および、金属錯体の気相中の生成エンタルピーの数値検証を行った。その結果、これらの分子物性に対する相対論効果の重要性が示唆されると同時に、従来困難であった規模の計算が実行可能になり、様々な分子物性を高精度に予測することができる手法であることが確かめられた。
2.重元素化合物に対する高速な電子反発積分アルゴリズムの開発:本研究で開発したLUT-IODKH法を用いることにより量子化学計算の律速となる積分計算は、相対論へのユニタリー変換から、非相対論と同様のERIにシフトする。本研究では特に重元素化合物のERI計算で有効となる、随伴座標展開-移項漸化関係式（ACE-TRR）法を開発した。種々の金属クラスターや金属錯体の数値検証により、本手法は重元素化合物のERI計算において世界最速と言われていたMOLPROプログラムよりも、2倍以上高速であることが確かめられた。

Research Progress Status

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Large-scale two-component relativistic quantum-chemical theory: Combination of the infinite-order Douglas-Kroll-Hess method with the local unitary transformation scheme and the divide-and-conquer method (2015)
  • Author(s): Junji Seino and Hiromi Nakai
  • Journal Title: International Journal of Quantum Cheistry (Special issue: Theoretical Chemistry in Japan) Volume: 115 Issue: 5 Pages: 253-257
  • DOI: 10.1002/qua.24758
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] An ab initio study of nuclear volume effects for isotope fractionations using two-component relativistic methods (2015)
  • Author(s): Keisuke Nemoto, Minori Abe, Junji Seino, and Masahiko Hada
  • Journal Title: Journal of Computational Chemistry Volume: 36 Issue: 11 Pages: 816-820
  • DOI: 10.1002/jcc.23858
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Extension of accompanying coordinate expansion and recurrence relation method for general contraction basis sets (2014)
  • Author(s): Masao Hayami, Junji Seino, and Hiromi Nakai
  • Journal Title: Journal of Computational Chemistry Volume: 35 Issue: 20 Pages: 1517-1527
  • DOI: 10.1002/jcc.23646
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Frozen core potential scheme with a relativistic electronic Hamiltonian : Theoretical connection between the model potential and all-electron treatments (2014)
  • Author(s): J. Seino, M. Tarumi, and H. Nakai
  • Journal Title: Chemical Physics Letter Volume: 592 Pages: 341-348
  • DOI: 10.1016/j.cplett.2013.12.060
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Large-Scale and Highly Accurate Relativistic Quantum-Chemical Scheme:toward Establishment ofTheoretical Foundation for Element Strategy (2014)
  • Author(s): 清野淳司、中井浩巳
  • Journal Title: Journal of Computer Chemistry, Japan Volume: 13 Issue: 1 Pages: 1-17
  • DOI: 10.2477/jccj.2013-0010
  • NAID: 130003382724
  • ISSN: 1347-1767, 1347-3824
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Local unitary transformation method toward practical electron correlation calculations with scalar relativistic effect in large-scale molecules (2013)
  • Author(s): J. Seino and H. Nakai
  • Journal Title: The Journal of Chemical Physics Volume: 139 Issue: 3
  • DOI: 10.1063/1.4813595
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Analytical energy gradient based on spin-free infinite-order Douglas-Krol 1-Hess method with local unitary transformation (2013)
  • Author(s): Y. Nakajima, J. Seino, and H. Nakai
  • Journal Title: The Journal of Chemical Physics Volume: 139 Issue: 24
  • DOI: 10.1063/1.4850638
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Local unitary transformation method for large-scale two-component relativistic calculations : Case for a one-electron Dirac Hamiltonian (2012)
  • Author(s): J. Seino and H. Nakai
  • Journal Title: The Journal of Chemical Physics Volume: 136 Issue: 24 Pages: 244102-244102
  • DOI: 10.1063/1.4729463
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Local unitary transformation method for large-scale two-component relativistic calculations. II. Extension to two-electron Coulomb interaction (2012)
  • Author(s): J. Seino and H. Nakai
  • Journal Title: The Journal of Chemical Physics Volume: 137 Issue: 14 Pages: 144101-144101
  • DOI: 10.1063/1.4757263
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Large-scale relativistic quantum-chemical theory (2014)
  • Author(s): Junji Seino and Hiromi Nakai
  • Organizer: 原子衝突学会第39回年会（第11回アジア原子分子物理国際シンポジウム（AISAMP11）合同セッション） （ホットトピック講演）
  • Place of Presentation: 東北大学 片平キャンパス
  • Year and Date: 2014-10-04 – 2014-10-06
• [Presentation] 高精度相対論的量子化学法による遷移金属錯体の生成エンタルピー計算 (2014)
  • Author(s): 清野淳司、中井浩巳
  • Organizer: 第8回分子科学討論会
  • Place of Presentation: 広島大学 東広島キャンパス
  • Year and Date: 2014-09-21 – 2014-09-24
• [Presentation] Efficient Relativistic Quantum Theory and Its Analytical Energy Gradient Scheme for Large Molecule (2013)
  • Author(s): Junji Seino, Yuya Nakajima, and Hiromi Nakai
  • Organizer: The XVIII Workshop on Quantum Systems in Chemistry and Physics (QSCP-XVIII)
  • Place of Presentation: Rio de Janeiro, Brazil
  • Year and Date: 2013-12-04
• [Presentation] 大規模・高精度相対論的量子化学理論の開発(4) : 内殻固定ポテンシャル法の開発 (2013)
  • Author(s): 清野淳司、樽見望都、中井浩巳
  • Organizer: 第7回分子科学討論会2013
  • Place of Presentation: 京都
  • Year and Date: 2013-09-27
• [Presentation] Overall Linear-Scaling Relativistic Scheme Based on Local Unitary Transformation and Divide-and-Conquer Method (2013)
  • Author(s): Junji Seino and Hiromi Nakai
  • Organizer: 6th Asia-Pacific Conference of Theoretical and Computational Chemistry (APCTCC 6)
  • Place of Presentation: Gyeongju, Korea
  • Year and Date: 2013-07-12
• [Presentation] Linear-Scaling Two-Component Relativistic Scheme : Local Unitary Transformation and Divide-And-Conquer Method (2013)
  • Author(s): Junji Seino and Hiromi Nakai
  • Organizer: 17th International Annual Symposium on Computational Science and Engineering (ANSCSE17)
  • Place of Presentation: Kohn Kaen University, Thailand
  • Year and Date: 2013-03-28
• [Presentation] 大規模分子系のための線形スケーリング相対論的量子化学理論の開発 (2013)
  • Author(s): 清野淳司、中井浩巳
  • Organizer: 日本化学会第93春季年会
  • Place of Presentation: 立教大学びわこ・くさつキャンパス
  • Year and Date: 2013-03-23
• [Presentation] 大規模・高精度相対論的量子化学理論の開発(3) : スピン依存相互作用の局所ユニタリー変換 (2012)
  • Author(s): 清野淳司、中井浩巳
  • Organizer: 第15回理論化学討論会
  • Place of Presentation: 仙台市福祉プラザ
  • Year and Date: 2012-05-25
• [Presentation] QED効果を取り入れた2電子Gaunt-Pauli近似の精度検証 (2012)
  • Author(s): 清野淳司、中野匡彦、中井浩巳
  • Organizer: 第15回理論化学討論会
  • Place of Presentation: 仙台市福祉プラザ
  • Year and Date: 2012-05-25
• [Presentation] 局所ユニタリー変換に基づく大規模分子系の為の2成分相対論法の開発 (2012)
  • Author(s): 清野淳司、中井浩巳
  • Organizer: 日本コンピュータ化学会 2012春季午会
  • Place of Presentation: 東京工業大学大岡山キャンパス
  • Year and Date: 2012-05-17