分光測定を再現するMaxwell方程式と融合した分子動力学マルチスケール法の開発

• Project/Area Number: 19K05364
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 32010:Fundamental physical chemistry-related
• Research Institution: University of Tsukuba
• Principal Investigator: 山田 篤志 筑波大学, 計算科学研究センター, 主任研究員 (10390676)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000); Fiscal Year 2023: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2022: ¥520,000 (Direct Cost: ¥400,000、Indirect Cost: ¥120,000); Fiscal Year 2021: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000); Fiscal Year 2020: ¥520,000 (Direct Cost: ¥400,000、Indirect Cost: ¥120,000); Fiscal Year 2019: ¥130,000 (Direct Cost: ¥100,000、Indirect Cost: ¥30,000)
• Keywords: 光‐金属相互作用 / 分子シミュレーション / 金属ナノ粒子 / 溶媒効果 / プラズモン共鳴励起 / 自由電子 / エネルギー緩和 / Maxwell方程式 / 分極力場 / 分子振動分光 / 分子動力学シミュレーション / 振動分光測定 / 分極力場モデル / 分光測定 / マルチスケールモデル

Outline of Research at the Start

光と分子の両方の動きを同時に記述する新しい計算化学シミュレーションを確立し、光を用いた分子や物質の分光測定シグナルをシミュレーションでリアルに再現する手法を開発する。入射パルス光が分子系と相互作用することにより、変形したパルスが反射あるいは透過波シグナルとして得られる、という実験系を模倣した直接的な計算で"測定"することが特徴である。特に比較的計算が安価な分子のモデル(分極力場モデル)を採用することにより様々な系に適用が可能となる。赤外・テラヘルツ分光やラマン分光実験のシミュレーションを行い、分子の運動を分光シグナルと結び付けて微視的なダイナミクスを明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

本課題では、光と分子（物質）の相互作用を力場モデルの枠組みで記述する光・分子動力学統合の計算化学の開発を目指している。昨年度までは分極力場を用いることにより分子シミュレーションとMaxwell方程式をマルチスケール化モデルの利用により統合したMaxwell＋分極力場MD法を開発し、分子性固体のテラヘルツ分光への適用研究を行った。今年度はフォトニクス研究や最近の分光実験で重要な金属へと対象を広げるため、可視領域での溶液内金属の光学応答を記述することができる分子シミュレーションを開発した。金属の光学特性は自由電子に由来するため、固定点電荷や断熱的な電子分極を表現する従来の力場モデルでは吸収を伴う可視光との相互作用を記述することができない。本課題では、金属内自由電子の古典運動ならびに光振動電場を分子シミュレーションの枠組みに組み入れることにより新たな計算手法：古典電子・分子動力学法を構築した。さらに分極可能モデルの溶媒分子を配置することで、溶液との相互作用を含む光応答が記述可能になる。本手法を用いて、(i)鏡像関係を満たす金属の電荷分布、(ii)バルク金属の誘電関数、(iii)水溶液中の金属ナノ粒子の吸収スペクトル、(iv)可視光照射によるプラズモン共鳴励起と熱・エネルギー緩和過程、が再現できることを実証した。すなわち、光－金属相互作用の非断熱的な時間発展を力場レベルの計算化学で実現した。

Research Products

• [Journal Article] 光・分子動力学統合の計算化学の開発：金属の光応答を記述する分子シミュレーション (2022)
  • Author(s): 山田篤志
  • Journal Title: The Molecular Simulation Society of Japan[分子シミュレーション学会誌] アンサンブル Volume: vol.24, No.1 Pages: 39-44
  • NAID: 40022824223
• [Journal Article] Classical electronic and molecular dynamics simulation for optical response of metal system (2021)
  • Author(s): Yamada Atsushi
  • Journal Title: The Journal of Chemical Physics Volume: 155 Issue: 17 Pages: 174118-174118
  • DOI: 10.1063/5.0067144
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 光・分子動力学統合の計算化学を目指して (2021)
  • Author(s): 山田篤志
  • Journal Title: 理論化学会誌「フロンティア」 Volume: 第3巻 4号 Pages: 231-238
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Multiscale simulation of terahertz radiation process in benzimidazole crystal by impulsive stimulated Raman scattering (2020)
  • Author(s): Atsushi Yamada
  • Journal Title: The Journal of Chemical Physics Volume: 153 Issue: 24 Pages: 244506-244506
  • DOI: 10.1063/5.0033308
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Multiscale coupled Maxwell’s equations and polarizable molecular dynamics simulation based on charge response kernel model (2020)
  • Author(s): Yamada Atsushi
  • Journal Title: The Journal of Chemical Physics Volume: 152 Issue: 9 Pages: 094110-094110
  • DOI: 10.1063/1.5143742
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 光・分子動力学統合の計算化学を目指して (2022)
  • Author(s): 山田篤志
  • Organizer: 北大理論化学シンポジウム：光と分子の相互作用
  • Invited
• [Presentation] 金属内自由電子の古典的運動方程式を組み込んだ分子シミュレーションの開発：水溶液中ナノ粒子の光吸収とエネルギー緩和 (2022)
  • Author(s): 山田篤志
  • Organizer: 日本化学会 第102春季年会
• [Presentation] Electron and Phonon Dynamics in Nonlinear Optics by Multiscale First-Principles Simulation (2021)
  • Author(s): Atsushi Yamada
  • Organizer: International Conference: Advanced Laser Technologies (ALT21)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Maxwell+ 分極力場MD マルチスケールシミュレーションの開発とDCMBI結晶の瞬間誘導ラマン散乱誘起テラヘルツ波発生プロセスの解析 (2021)
  • Author(s): 山田篤志
  • Organizer: 第23回理論化学討論会
• [Presentation] 金属内自由電子の古典ダイナミクスを組み込んだ分子シミュレーションの開発：水溶液中ナノ粒子の光吸収とエネルギー緩和 (2021)
  • Author(s): 山田篤志
  • Organizer: 分子シミュレーション討論会
• [Presentation] Maxwell+ 分極力場MD マルチスケールシミュレーションによるDCMBI結晶の瞬間誘導ラマン散乱誘起テラヘルツ波発生プロセス (2021)
  • Author(s): 山田篤志
  • Organizer: 日本化学会春季年会
• [Presentation] Maxwell+ MD マルチスケールシミュレーションによるDCMBI結晶の瞬間誘導ラマン散乱誘起テラヘルツ波発生プロセス (2021)
  • Author(s): 山田篤志
  • Organizer: 日本物理学会春季年会
• [Presentation] Maxwell + MD multiscale simulation for vibrational spectroscopy (2020)
  • Author(s): Atsushi Yamada
  • Organizer: CCS International Symposium 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Maxwell+ MD マルチスケールシミュレーションを用いたDCMBI結晶の瞬間誘導ラマン散乱誘起テラヘルツ波発生過程 (2020)
  • Author(s): 山田篤志
  • Organizer: 第34回分子シミュレーション討論会
• [Presentation] CRK分極モデルを用いたMaxwell + MD マルチスケールシミュレーションの開発および分光測定系への適用 (2020)
  • Author(s): 山田篤志
  • Organizer: 日本物理学会 第７５回年次年会
• [Presentation] CRK分極モデルを用いたMaxwell + MDマルチスケールシミュレーションの開発 (2019)
  • Author(s): 山田篤志
  • Organizer: 第３３回分子シミュレーション討論会