量子化学計算におけるLinear-Scaling法の開発とその応用

• Project/Area Number: 14703005
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: Physical chemistry
• Research Institution: Waseda University
• Principal Investigator: 中井 浩巳 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (00243056)
• Project Period (FY): 2002 – 2004
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2004)
• Budget Amount: ¥28,730,000 (Direct Cost: ¥22,100,000、Indirect Cost: ¥6,630,000); Fiscal Year 2004: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000); Fiscal Year 2003: ¥9,230,000 (Direct Cost: ¥7,100,000、Indirect Cost: ¥2,130,000); Fiscal Year 2002: ¥14,820,000 (Direct Cost: ¥11,400,000、Indirect Cost: ¥3,420,000)
• Keywords: Linear-Scaling法 / 分子積分 / Divide-and-Conquer法 / AIMD法 / NOMO法 / アルゴリズム / エネルギー密度解析 / 周期境界条件計算 / wPBEh汎関数 / 元素基底 / 電子間反発積分 / 局在化軌道 / TDDFT計算 / PBC計算 / EDA法

Research Abstract

本研究では、種々の量子化学計算に対するUnear-Scaling(LS)法あるいは効果的な計算アルゴリズムを提案することを目指した。
(1)分子積分の高速計算プログラム開発:分子積分、とりわけ電子間反発積分(ERI)の計算は、いまなお量子化学計算のボトルネックの一つである。本研究では、昨年度提案したACE-RRアルゴリズムに基づくプログラムを作成し、GAMESSプログラムと組合せることにより汎用性の向上を目指した。実際、本手法は従来のアルゴリズムより20%程度高速化していることが確かめられた。
(2)Divide-and-Conquer(DC)法の検証:Yangによって提案された:LS法の一つであるDC法は、主にDFTに適用されてきた。しかし、原理的にはHF交換項を含むハイブリッド法にも応用できる。本研究では、DC-HFプログラムを作成し、HF交換項に対するDC法の是非を検討した。その結果、HF交換項の非局所性のため、十分な相互作用領域を用いる必要があること、打ち切りによるSCF収束性が悪化することが明らかとなった。
(3)AIMD法におけるSCF収束性の向上:AIMD法は時間ステップごとにMO/DFT計算を行うため、膨大な計算時間を必要とする。本研究では、MOの時間発展を考慮することにより、効果的な初期MOを推定し、SCF収束性の向上を達成した。多くの系で、2-4倍程度の高速化が実現された。
(4)NOMO法の高精度化:電子と核の波動関数を同時に決定するNOMO法は、我々が提案してきた独自の方法で、世界的にも注目されている。しかし、その精度は従来のMO法に比べ劣る。その原因は、電子-核および核-核相関といった特殊な多体効果に加えて、並進・回転運動の混入が挙げられる。本研究では、並進・回転運動の寄与を取り除く効果的なスキームを提案し、それによる高精度化を図った。

Research Products

• [Journal Article] Theoretical study on excitation dynamics of 5-dibenzosuberene and its derivatives (2005)
  • Author(s): H.Nakai, T.Baba
  • Journal Title: J.Mol.Struct. 735-736 Pages: 211-216
• [Journal Article] New algorithm for the rapid evaluation of electron repulsion integrals: elementary basis algorithm (2004)
  • Author(s): H.Nakai, M.Kobayashi
  • Journal Title: Chem.Phys.Lett 388(1-3) Pages: 50-54
• [Journal Article] Ab initio molecular orbital study of the electron emission mechanism of TiCl_3 as a reductant for an electroless deposition process (2004)
  • Author(s): T.Shimada, I.Komatsu, T.Homma, H.Nakai, T.Osaka
  • Journal Title: Electrochemistry. 72(6) Pages: 462-465
  • NAID: 10012362790
• [Journal Article] New recurrence relations for the rapid evaluation of electron repulsion integrals based on accompanying coordinate expansion formula (2004)
  • Author(s): M.Kobayashi, H.Nakai
  • Journal Title: J.Chem.Phys. 121(9) Pages: 4050-4058
• [Journal Article] Energy density analysis of cluster size dependence of surface-molecule interactions: H_2, C_2H_2, C_2H_4 and CO adsorption onto Si (100)-(2×1) surface (2004)
  • Author(s): H.Nakai, M.Katouda, Y.Kawamura
  • Journal Title: J.Chem.Phys. 121(10) Pages: 4893-4900
• [Journal Article] A hybrid approach combining energy density analysis with the interaction energy decomposition method (2004)
  • Author(s): Y.Kawamura, H.Nakai
  • Journal Title: J.Comp.Chem. 25(15) Pages: 1882-1887
• [Journal Article] Short-time Fourier transformi analysis of ab initio molecular dynamics simulation: collision reaction between NH_4^+(NH_3)_2 and NH_3 (2004)
  • Author(s): Y.Yamauchi, H.Nakai, Y.Okada
  • Journal Title: J.Chem.Phys. 121(22) Pages: 11098-11103
• [Publications] Y.Kawai, S.Yamaguchi, Y.Okada, K.Takeuchi, Y.Yamauchi, S.Ozawa, H.Nakai: "Reactions of protonated water clusters H^+(H_2O)_n(n=2-6) with dimethylsulfoxide in a guided ion beam apparatus"Chem.Phys.Lett. 377(1-2). 69-73 (2003)
• [Publications] H.Nakai, Y.Yamauchi, A.Nakata, T.Baba, H.Takahashi: "Ab initio molecular dynamics study on the excitation dynamics of psoralen compounds"J.Chem.Phys.. 119(8). 4223-4228 (2003)
• [Publications] H.Nakai, K.Sodeyama: "Energy density analysis (EDA) of proton transfer reactions in malonaldehyde, tropolone, and 9-hydroxyphenalenone"J.Mol.Struct.(THOCHEM). 637(1-3). 27-35 (2003)
• [Publications] T.Homma, A.Tamaki, H.Nakai, T.Osaka: "Molecular orbital study on the reaction process of dimethylamine borane as a reductant for electroless deposition"J.Electroanalytical Chem.. 559. 131-136 (2003)
• [Publications] S.Yamaguchi, S.Kudoh, Y.Okada, T.Orii, K.Takeuchi, T.Ichikawa, H.Nakai: "Size-Dependent Reaction Cross Section of Protonated Water Clusters H^+(H_2O)_n (n=2-11) with D_2O"J.Phys.Chem.A. 107(50). 10904-10910 (2003)
• [Publications] A.Nakata, T.Baba, H.Takahashi, H.Nakai: "Theoretical study on the excited states of psoralen compounds bonded to a thymine residue"J.Comp.Chem.. 25(2). 179-188 (2004)
• [Publications] H.Nakai: "Energy density analysis with Kohn-Sham orbitals"Chem.Phys.Lett.. 363(1,2). 73-79 (2002)
• [Publications] H.Nakai, Y.Yamauchi, A.Matsuda, Y.Okada, K.Takeuchi: "Ab initio MD simulation of collision reaction between ammonia cluster ion and ammonia monome"J.Mol.Struct. (THEOCHEM). 592(1-3). 61-67 (2002)
• [Publications] K.Itoh, T.Kiyohara, H.Shinohara, C.Ohe, Y.Kawamura, H.Nakai: "DFT Calculation Analysis of the Infrared Spectra of Ethylene Adsorbed on Cu(110), Pd(110) and Ag(110)"J.Phys.Chem.B. 106(41). 10714-10721 (2002)
• [Publications] H.Nakai, K.Sodeyama: "Energy density analysis (EDA) of cis, trans-enol isomerization in malonaldehyde, tropolone, and 9-hydroxyphenalenone"Chem.Phys.Lett. 365(3,4). 203-210 (2002)
• [Publications] H.Nakai, K.Sodeyama: "Many-body effects in nonadiabatic molecular theory for simultaneous determination of nuclear and electronic wave functions : Ab initio NOMO/MBPT and CC methods"J.Chem.Phys. 118(3). 1119-1127 (2003)
• [Publications] Y.Kawamura, H.Nakai: "Energy density analysis of internal methyl rotations in halogenated toluenes"Chem.Phys.Lett. 368(5,6). 673-679 (2003)