3項間漸化式に基づく高速・高精度な電子状態動力学シミュレーション手法の開発と応用

• Project/Area Number: 19J40290
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 32010:Fundamental physical chemistry-related
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 赤間 知子 北海道大学, 大学院理学研究院, 特別研究員(RPD)
• Project Period (FY): 2019-04-25 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2021: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2020: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2019: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
• Keywords: 3項間漸化式 / 虚時間発展 / 希土類錯体 / 緩和過程 / LMCT励起状態

Outline of Research at the Start

光によって誘起される超高速電子・スピンダイナミクスは、太陽電池、電界効果トランジスタ、有機EL素子等への応用や、高効率デバイス開発につながる可能性がある。しかし、その詳細なメカニズムは明らかになっていない。本研究では、申請者がこれまで開発してきた3項間漸化式法を用いて、分子系の超高速電子・スピンダイナミクスのシミュレーション手法を開発する。開発した手法を、希土類分子の超高速電子・スピンダイナミクス現象に応用し、メカニズムの解明を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、分子系の超高速電子・スピンダイナミクスを記述するために、3項間漸化式に基づく高速で高精度な電子状態ダイナミクスの非経験的理論計算手法を開発し、希土類分子における超高速電子・スピンダイナミクスのメカニズム解明に取り組むことを目的としている。第三年度である今年度は、昨年度から継続して、理論計算手法の開発と、希土類分子や希土類錯体についての理論的研究を行った。交付申請書の研究実施計画からは少し変更し、希土類錯体についての理論的研究について特に重点的に取り組んだ。
理論計算手法の開発として、3項間漸化式法による高精度な電子状態計算の効率化を実現するために、3項間漸化式法の虚時間発展への拡張と実装したプログラムの検証を行った。
希土類であるセリウム(Ce)、ユーロピウム(Eu)やテルビウム(Tb)を含む錯体に関する理論的研究として、希土類錯体の発光・消光に至るエネルギー移動過程の解明に取り組んだ。希土類錯体の発光・緩和過程では、まず配位子が励起し、項間交差により配位子が1重項から3重項に変化した状態を経て、配位子から希土類にエネルギー移動した状態から発光するとされている。昨年度までに、これらの状態に加えてEu錯体におけるLMCT状態の関与する可能性を検討してきたが、今年度はさらに、配位子のスピンと中心金属のスピンが平行な状態と反平行な状態についても検討した。また、新規錯体合成のための理論計算による配位子のスクリーニングにも取り組んだ。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Practical electronic ground- and excited-state calculation method for lanthanide complexes based on frozen core potential approximation to 4f electrons (2022)
  • Author(s): M. Kobayashi, Y. Oba, T. Akama, and T. Taketsugu
  • Journal Title: Journal of Mathematical Chemistry Volume: -
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Coordination geometrical effect on LMCT-depended energy transfer processes of luminescent Eu(III) complexes (2021)
  • Author(s): Pedro Paulo Ferreira da Rosa, Shiori Miyazaki, Haruna Sakamoto, Yuichi Kitagawa, Kiyoshi Miyata, Tomoko Akama, Masato Kobayashi, Koji Fushimi, Ken Onda, Tetsuya Taketsugu, Yasuchika Hasegawa
  • Journal Title: J Phys. Chem. A Volume: 125 Issue: 1 Pages: 209-217
  • DOI: 10.1021/acs.jpca.0c09337
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] All-electron relativistic spin-orbit multireference computation to elucidate the ground state of CeH (2020)
  • Author(s): Kondo Yusuke、Goto Yuri、Kobayashi Masato、Akama Tomoko、Noro Takeshi、Taketsugu Tetsuya
  • Journal Title: Physical Chemistry Chemical Physics Volume: 22 Issue: 46 Pages: 27157-27162
  • DOI: 10.1039/d0cp05070a
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Eu(III)錯体の七配位型から八配位型への幾何学構造変形に伴う光増感発光増大 (2021)
  • Author(s): フェレイラダローサ ペドロパウロ・宮崎栞・庄司淳・北川裕一・宮田潔志・赤間知子・小林正人・伏見公志・恩田健・武次徹也・長谷川靖哉
  • Organizer: 第37回希土類討論会 (オンライン開催)
• [Presentation] Photo-physical properties of seven- and eight-coordinated Eu(III) complexes with LMCT bands (2021)
  • Author(s): P.P.F. da Rosa, S. Miyazaki, Y. Kitagawa, K. Miyata, T. Akama, S. Shoji, M. Kobayashi, K. Fushimi, K. Onda, T. Taketsugu, and Y. Hasegawa
  • Organizer: ICP(International Conference on Photochemistry) 2021-virtual (online)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 演算子変換を用いた効率的時間発展：3項間漸化式法の虚時間発展への拡張 (2021)
  • Author(s): 赤間知子・小林正人・武次徹也
  • Organizer: 第15回分子科学討論会 (オンライン開催)
• [Presentation] 静的電子相関を取り込んだ簡便な電子励起状態計算：正準基底TDHFB法の開発 (2021)
  • Author(s): 西田叡倫・赤間知子・小林正人・武次徹也
  • Organizer: 第15回分子科学討論会 (オンライン開催)
• [Presentation] Control of LMCT bands in seven- and eight-coordinated Eu(III) complexes with pyridine (2021)
  • Author(s): P.P.F. da Rosa, S. Miyazaki, Y. Kitagawa, K. Miyata, T. Akama, M. Kobayashi, K. Fushimi, K. Onda, T. Taketsugu, and Y. Hasegawa
  • Organizer: The International Chemical Congress of Pacific Basin Societies (Pacifichem 2021) (online)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Efficient and unitary time evolution based on operator transformation: development of three-term recurrence-relation method (2021)
  • Author(s): Tomoko Akama, Osamu Kobayashi, Shinkoh Nanbu, and Tetsuya Taketsugu
  • Organizer: The International Chemical Congress of Pacific Basin Societies (Pacifichem 2021) (online)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Control of LMCT state in seven- and eight-coordinated Eu(III) complexes (2020)
  • Author(s): Pedro Paulo Ferreira da Rosa, Shiori Miyazaki, Yuichi Kitagawa, Kiyoshi Miyata, Tomoko Akama, Masato Kobayashi, Koji Fushimi, Ken Onda, Tetsuya Taketsugu, and Yasuchika Hasegawa
  • Organizer: 2020年web光化学討論会
• [Presentation] 準粒子表現により擬縮退系の励起状態計算を可能にするTDHFB法の開発 (2020)
  • Author(s): 西田 叡倫・赤間 知子・小林 正人・武次 徹也
  • Organizer: 分子科学会 オンライン討論会
• [Presentation] 演算子変換に基づく効率的で汎用的な時間発展法の開発：3項間漸化式法 (2020)
  • Author(s): 赤間知子
  • Organizer: 第6回電子状態理論シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] 高精度励起状態計算のためのRT-TDHFB法の開発 (2020)
  • Author(s): 西田 叡倫・赤間 知子・小林 正人・武次 徹也
  • Organizer: 化学系学協会北海道支部2020年冬季研究発表会
• [Presentation] 演算子変換を用いた効率的時間発展：3項間漸化式法の拡張 (2019)
  • Author(s): 赤間知子・武次徹也
  • Organizer: 第22回理論化学討論会
• [Presentation] Development of efficient time-evolution method based on operator transformation: three-term recurrence-relation method (2019)
  • Author(s): Tomoko Akama, Osamu Kobayashi, Shinkoh Nanbu, and Tetsuya Taketsugu
  • Organizer: XV International Workshop on Quantum Reactive Scattering (QRS2019 Workshop)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 演算子変換を用いた効率的時間発展：3項間漸化式法の開発と拡張 (2019)
  • Author(s): 赤間知子・武次徹也
  • Organizer: 第13回分子科学討論会
• [Presentation] 演算子変換に基づく効率的時間発展法の開発と拡張 (2019)
  • Author(s): 赤間知子・武次徹也
  • Organizer: 日本コンピュータ化学会2019秋季年会