光と電子のダイナミクスを記述する第一原理マルチスケールシミュレーション法の開発

• Project Area: Materials Design through Computics: Complex Correlation and Non-equilibrium Dynamics
• Project/Area Number: 25104702
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: University of Tsukuba
• Principal Investigator: 矢花 一浩 筑波大学, 数理物質系, 教授 (70192789)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2015-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2014)
• Budget Amount: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2014: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000); Fiscal Year 2013: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
• Keywords: 第一原理計算 / マルチスケールシミュレーション / レーザー加工 / 非線形光学 / アト秒科学 / 時間依存密度汎関数理論 / 超高速現象 / フェムト秒レーザー

Outline of Annual Research Achievements

光と物質の相互作用を記述する第一原理マルチスケール・シミュレータの開発を進め、パルスレーザー光と誘電体の相互作用に関する研究を発展させた。
光と物質の相互作用を定量的に記述する上で、固体のバンドギャップの測定値を再現するよう理論を構築することが極めて重要である。第一原理計算でバンドギャップを系統的に記述することが知られるメタGGAポテンシャルとハイブリッド汎関数を用い、安定したシミュレーションが可能となることを確認した。メタGGAポテンシャルではエネルギー汎関数が存在しないことから、電子励起エネルギーや光から電子へのエネルギー移行を求める手法を開発した。ハイブリッド汎関数を用いた計算は、極めて計算量が多くなることから、GPUによる計算の加速を行うコードを開発した。メタGGAポテンシャルを用いた計算は、局所密度近似の高々３倍程度の計算量で済むことから現実系の計算が可能である。パルス光を透明物質に照射した際に現れる超高速電流の分析や、高強度パルス光による透明物質のアブレーション閾値や深度の分析に適用した。
マルチスケール計算は極めて計算量が大きいことから、電子ダイナミクス計算を簡易に行う近似的なシミュレーション法が望まれる。この候補として、基底関数展開を用いハミルトニアンを密行列で表現する方法を検討した。この際、用いるk点毎に基底状態での占有・非占有軌道を基底関数に用いると計算の収束が極めて遅く、隣接したk点の占有軌道を基底関数に含めることにより収束が劇的に改善されることを明らかにした。

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] Particle-number projection method in time-dependent Hartree-Fock theory : Properties of reaction products (2014)
  • Author(s): K. Sekizawa, K. Yabana
  • Journal Title: Physical Review C Volume: 90 Issue: 6
  • DOI: 10.1103/physrevc.90.064614
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Attosecond band-gap dynamics in silicon (2014)
  • Author(s): Martin Schultze, Krupa Ramasesha, C.D. Pemmaraju, S.A. Sato, D. Whitmore, A. Gandman, James S. Prell, L. J. Borja, D. Prendergast, K. Yabana, Daniel M. Neumark, and Stephen R. Leone
  • Journal Title: Science Volume: 346 Issue: 6215 Pages: 1348-1352
  • DOI: 10.1126/science.1260311
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Dielectric response of laser-excited silicon at finite electron temperature (2014)
  • Author(s): S.A. Sato, Y. Shinohara, T. Otobe, K. Yabana
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 90 Issue: 17 Pages: 174303-174303
  • DOI: 10.1103/physrevb.90.174303
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Ab-initio simulation of electrical currents induced by ultrafast laser excitation of dielectric materials (2014)
  • Author(s): Georg Wachter, Christoph Lemell, Joachim Burgdorfer, Shunsuke A. Sato, Xiao-Min Tong, Kazuhiro Yabana
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 113 Issue: 8 Pages: 087401-087401
  • DOI: 10.1103/physrevlett.113.087401
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Efficient basis expansion for describing linear and nonlinear electron dynamics in crystalline solids (2014)
  • Author(s): Shunsuke A. Sato, Kazuhiro Yabana
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 89 Issue: 22 Pages: 224305-224305
  • DOI: 10.1103/physrevb.89.224305
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Massively-parallel electron dynamics calculations in real-time and real-space: Toward applications to nanostructures of more than ten-nanometers in size (2014)
  • Author(s): M. Noda, K. Ishimura, K.Nobusada, K. Yabana, T. Boku
  • Journal Title: J. Comput. Phys. Volume: 265 Pages: 145-155
  • DOI: 10.1016/j.jcp.2014.02.006
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] First-principles simulation of the optical response of bulk and thin-film α-quartz irradiated with an ultrashort intense laser pulse (2014)
  • Author(s): Kyung-Min Lee, Chul Min Kim, Shunsuke A. Sato, Tomohito Otobe, Yasushi Shinohara, Kazuhiro Yabana and Tae Moon Jeong
  • Journal Title: Journal of Applied Physics Volume: 115 Issue: 5
  • DOI: 10.1063/1.4864662
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Numerical pump-probe experiments of laser-excited silicon in nonequilibrium phase (2014)
  • Author(s): S. A. Sato, K. Yabana, Y. Shinohara, T. Otobe, and G. F. Bertach
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 89 Issue: 6
  • DOI: 10.1103/physrevb.89.064304
  • Peer Reviewed
• [Presentation] First-principles description of strong electromagnetic fields in solids (2014)
  • Author(s): K. Yabana
  • Organizer: APS Meeting 2014
  • Place of Presentation: Colorado Convention Center, Denver, USA
  • Invited
• [Presentation] Maxwell + TDDFT multiscale simulation for strong electromagnetic fields in solids (2014)
  • Author(s): K. Yabana
  • Organizer: Quantum Dynamics Research Meeting
  • Place of Presentation: Vanderbilt University, USA
  • Invited
• [Presentation] Multiscale description for strong electromagnetic fields in solids (2013)
  • Author(s): K. Yabana
  • Organizer: Gordin Research Conference on TDDFT
  • Place of Presentation: Univ. New England, USA
  • Invited
• [Book] Advances in Multi-Photon Processes and Spectroscopy Vol. 21, pp.209-244 (2014)
  • Author(s): K. Yabana, Y. Shinohara, T. Otobe, J.-I. Iwata, G.F. Bertsch
  • Total Pages: 46
  • Publisher: World Scientific
• [Book] Advances in Multi-Photon Processes and Spectroscopy: Volume 21 (2014)
  • Author(s): K. Yabana, Y. Shinohara, T. Otobe, J.-I. Iwata, G.F. Bertsch
  • Total Pages: 60
  • Publisher: World Scientific