量子埋め込みと電子相関理論を統合した固体バルク・表面の高精度計算手法の開発

• Project/Area Number: 22H00316
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 32:Physical chemistry, functional solid state chemistry, and related fields
• Research Institution: Kobe University
• Principal Investigator: 天能 精一郎 神戸大学, システム情報学研究科, 教授 (00270471)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2025)
• Budget Amount: ¥39,390,000 (Direct Cost: ¥30,300,000、Indirect Cost: ¥9,090,000); Fiscal Year 2025: ¥9,360,000 (Direct Cost: ¥7,200,000、Indirect Cost: ¥2,160,000); Fiscal Year 2024: ¥9,360,000 (Direct Cost: ¥7,200,000、Indirect Cost: ¥2,160,000); Fiscal Year 2023: ¥9,360,000 (Direct Cost: ¥7,200,000、Indirect Cost: ¥2,160,000); Fiscal Year 2022: ¥11,310,000 (Direct Cost: ¥8,700,000、Indirect Cost: ¥2,610,000)
• Keywords: 電子相関 / 波動関数 / F12理論 / 半導体 / ハイブリッド計算 / 表面

Outline of Research at the Start

水の完全分解を行う半導体光触媒では，遷移金属酸化物やコバルトリン酸化物の触媒・助触媒活性の理解には正確なバンド端位置やスピン状態の計算が求められ，通常の第一原理計算に代わる高度な電子相関理論に基づいた計算手法の発展が望まれる。本研究では，独自のF12 理論・強相関ソルバーを量子埋め込みとの統合・発展を行い，電子相関計算に基づく高精度な固体のバルク・表面状態の高速計算を可能にする。これまで定量的な理解が困難であった半導体光触媒の反応機構や合理的なデバイス設計を可能にする計算手法の確立を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

初年度は、埋め込みモデルの構築に向け、完全結合クラスター法による強相関ソルバーの整備と、光触媒を具体例に周期系の計算手法の検討を行なった。完全結合クラスター法では、結合クラスター部分、励起演算子の選択、ラグランジアン、二次摂動補正部分をモジュール化すると共に、多配置SCFの自然軌道の利用を可能にし、励起状態や結合解離の高精度計算を可能にした。周期系の計算手法については、PAWとの結合を念頭に、複数の公開モジュールの検討を行なった。さらに、実用的な応用を見据えて、通常の第一原理計算によりいくつかの光触媒、具体的には複合酸化物とBiVO4-黒リンインターフェースの計算を実施した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

強相関ソルバーの整備と周期系モジュールの検討について当初の研究計画が達成できているため。

Strategy for Future Research Activity

強相関ソルバーについては、計算コストを押さえつつ計算精度を高めるために、相関因子を用いた手法の導入を検討する。通常のF12理論は二電子励起演算子に基づく手法のため選択的CI法や完全結合クラスター法への応用が難しいので、有効ハミルトニアンに基づいた新しい理論の開発を検討する。埋め込みモデルの開発についても、周期系のモジュールと古典モデルへの埋め込みの両方を検討する。後者については、別プロジェクトにて一部開発が完了している。

Research Products

• [Journal Article] Improved Algorithms of Quantum Imaginary Time Evolution for Ground and Excited States of Molecular Systems (2023)
  • Author(s): Tsuchimochi Takashi、Ryo Yoohee、Ten-no Seiichiro L.、Sasasako Kazuki
  • Journal Title: Journal of Chemical Theory and Computation Volume: 19 Issue: 2 Pages: 503-513
  • DOI: 10.1021/acs.jctc.2c00906
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Binary dopant segregation enables hematite-based heterostructures for highly efficient solar H2O2 synthesis (2022)
  • Author(s): Zhang Zhujun、Tsuchimochi Takashi、Ina Toshiaki、Kumabe Yoshitaka、Muto Shunsuke、Ohara Koji、Yamada Hiroki、Ten-no Seiichiro L.、Tachikawa Takashi
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 13 Issue: 1 Pages: 1499-1499
  • DOI: 10.1038/s41467-022-28944-y
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Water?oxidation mechanism of cobalt phosphate co-catalyst in artificial photosynthesis: a theoretical study (2022)
  • Author(s): Tsuneda Takao、Ten-no Seiichiro L.
  • Journal Title: Physical Chemistry Chemical Physics Volume: 24 Issue: 7 Pages: 4674-4682
  • DOI: 10.1039/d1cp05816a
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Adaptive construction of shallower quantum circuits with quantum spin projection for fermionic systems (2022)
  • Author(s): Tsuchimochi Takashi、Taii Masaki、Nishimaki Taisei、Ten-no Seiichiro L.
  • Journal Title: Physical Review Research Volume: 4 Issue: 3 Pages: 033100-033100
  • DOI: 10.1103/physrevresearch.4.033100
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Current status and challenges of explicitly correlated electronic structure theory (2023)
  • Author(s): Seiichiro L. Ten-no
  • Organizer: Asia-Pacific Conference on Theoretical and Computational Chemistry
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Selected coupled-cluster approach for accurate treatment of strongly correlated electrons (2022)
  • Author(s): Seiichiro L. Ten-no
  • Organizer: Quantum Chemistry Method for Materials Science
  • Int'l Joint Research / Invited