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2010 Fiscal Year Annual Research Report

高圧下における含水鉱物、マグマ、水の量子シミュレーション

Planned Research

Project AreaEarth Science Based on the High Pressure and Temperature Neutron Experiments
Project/Area Number 20103005
Research InstitutionThe Institute of Physical and Chemical Research

Principal Investigator

飯高 敏晃  独立行政法人理化学研究所, 戎崎計算宇宙物理研究室, 専任研究員 (60212700)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 池田 隆司  独立行政法人日本原子力研究開発機構, 放射光科学研究ユニット, 研究副主幹 (60370350)
土屋 旬  愛媛大学, 上級研究員センター, 上級研究員 (00527608)
星 健夫  鳥取大学, 大学院・工学研究科, 准教授 (80272384)
Keywords高圧力 / 中性子散乱 / 液体 / 含水鉱物 / マグマ / ナノダイヤモンド / 第一原理分子動力学 / 水素結合
Research Abstract

高圧下での水・液体、含水鉱物、マグマおよびその他の水素含有物質の物性を明らかにするための第一原理物質科学計算を行った。またそのための大規模シミュレーション手法の開発を行った。
惑星の重要な構成物質のひとつであるメタン分子の高圧下での結晶構造予測を行い、新結晶構造を理論的に発見した。また、最近高圧力下で発見されたシラン・水素複合結晶の構造とダイナミクスを第一原理分子動力学計算を用いて調べた。シランと水素は、分子の中心が格子点に固定されているが、分子の向きがランダムである結晶構造をとることが分かった。Natural Bond Orbital分析により,二つの分子間のdonor-acceptor相互作用が圧力により増強されることが分かった。実験で観測されたvibron振動数の負の圧力依存性は、この分子間相互作用によるものであることを明らかにした。中性子線回折による水素原子を含んだ結晶構造決定および光学的方法による分子振動測定を用いてこれらの新高圧相が検証されることが期待される。
高圧下の水に関しては、高温高圧下では水素結合が切断され、水分子が高速に回転し、球状原子の単純液体のように振る舞うことを明らかにした。これは液体班によるX線回折による酸素原子の動径分布関数の結果と一致した。より正確な検証のために中性子線回折による水素原子を含んだ動径分布関数の測定が待たれる。
含水鉱物に関しては、蛇紋石「リザーダイト」Mg6Si4O10(OH)8の10GPa付近での水素結合変化による異常な圧縮挙動を第一原理計算により初めて予測した。中性子線回折による圧縮機構の検証が期待される。
また、大規模量子分子動力学プログラムを多原子種系・電荷セルフコンシステント手法に対応させ、グリーン関数を通じての大規模電子状態解析手法の基礎理論、GPU(Graphic Processing Unit)を利用した高速計算法の開発を行った。

  • Research Products

    (31 results)

All 2011 2010 Other

All Journal Article (10 results) (of which Peer Reviewed: 10 results) Presentation (16 results) Remarks (5 results)

  • [Journal Article] Pressure-Induced Intermolecular Interactions in Crystalline Silane-Hydrogen2010

    • Author(s)
      Wai-Leung Yim, John S.Tse, Toshiaki Iitaka
    • Journal Title

      Phys.Rev.Lett.

      Volume: 105 Pages: 215501(1-4)

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Dissociation of methane under high pressure2010

    • Author(s)
      Guoying Gao, Artem R.Oganov, Yanming Ma, Hui Wang, Peifang Li, Yinwei Li, Toshiaki Iitaka, Guangtian Zou
    • Journal Title

      J.Chem.Phys.

      Volume: 133 Pages: 144508(1-5)

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Structure of liquid water under high pressure up to 17 GPa2010

    • Author(s)
      Takashi Ikeda, Yoshinori Katayama, Hiroyuki Saitoh, Katsutoshi Aoki
    • Journal Title

      J.Chem.Phys.

      Volume: 132 Pages: 121102(1-4)

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] First-principles prediction of a high-pressure hydrous phase of AlOOH2010

    • Author(s)
      Jun Tsuchiya, Taku Tsuchiya
    • Journal Title

      Phys.Rev.B

      Volume: 83 Pages: 054115(1-5)

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] First-Principles Prediction on the High-Pressure Structures of Transition Metal Diborides (TMB2, TM=Sc, Ti, Y, Zr)2010

    • Author(s)
      Meiguang Zhang, Hui Wang, Hongbo Wang, Xinxin Zhang, Toshiaki Iitaka, Yanming Ma
    • Journal Title

      Inorg.Chem.

      Volume: 49 Pages: 6859-6864

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Failure of Conventional Density Functionals for the Prediction of Molecular Crystal Polymorphism : A Quantum Monte Carlo Study2010

    • Author(s)
      Kenta Hongo, Mark A.Watson, Roel S.Sanchez-Carrera, Toshiaki Iitaka, Alan Aspuru-Guzik
    • Journal Title

      J.Phys.Chem.Lett.

      Volume: 1 Pages: 1789-1794

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] GPU-accelerated large-scale quantum molecular dynamics simulation of 3-dimensional C60 polymers2010

    • Author(s)
      Toshiaki Iitaka
    • Journal Title

      J.Phys.: Conf.Ser.

      Volume: 215 Pages: 012119

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Large scale simulation of quantum-mechanical molecular dynamics for nano-polycrystalline diamond2010

    • Author(s)
      Takeo Hoshi, Toshiaki Iitaka, Maria Fyta
    • Journal Title

      J.Phys.: Conf.Ser.

      Volume: 215 Pages: 012118

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Acceleration of orbital-free first principles calculation with graphics processing unit GPU2010

    • Author(s)
      M Aoki, H Tomono, T Iitaka, K Tsumuraya
    • Journal Title

      J.Phys.: Conf.Ser.

      Volume: 215 Pages: 012120

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] GPU based acceleration of first principles calculation2010

    • Author(s)
      H Tomono, M Aoki, T Iitaka, K Tsumuraya
    • Journal Title

      J.Phys.: Conf.Ser.

      Volume: 215 Pages: 012121

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 結晶構造予測法の氷科学、地球惑星科学、高圧物質科学への応用2011

    • Author(s)
      飯高敏晃
    • Organizer
      2010年度理研シンポジウムペタフロップス時代のセンターシステム
    • Place of Presentation
      和光
    • Year and Date
      2011-02-16
  • [Presentation] Benchmark quantum Monte Carlo study of molecular crystals2010

    • Author(s)
      Kenta Hongo, Mark Watson, Carrena Sanzes, Toshiaki Iitaka, Alan Aspuru-Guzik
    • Organizer
      International Chemical Congress of Pacific Basin Societies (PACIFICHEM 2010)
    • Place of Presentation
      Hawaii
    • Year and Date
      2010-12-15
  • [Presentation] Stability of ferroelectric ice crystallite2010

    • Author(s)
      Toshiaki Iitaka
    • Organizer
      5th Asian Conference on High Pressure Research (ACHPR-5)
    • Place of Presentation
      松江
    • Year and Date
      2010-11-07
  • [Presentation] Spin Density Wave in Chromium under High Pressure2010

    • Author(s)
      Zhi Li, John Tse, Toshiaki Iitaka
    • Organizer
      5th Asian Conference on High Pressure Research (ACHPR-5)
    • Place of Presentation
      松江
    • Year and Date
      2010-11-07
  • [Presentation] First principles molecular dynamics study on filled ice hydrogen hydrate under pressure2010

    • Author(s)
      Jingyun Zhang, Jer-Lai Kuo, Toshiaki Iitaka
    • Organizer
      5th Asian Conference on High Pressure Research (ACHPR-5)
    • Place of Presentation
      松江
    • Year and Date
      2010-11-07
  • [Presentation] Dissociation of methane under high pressure2010

    • Author(s)
      Guoying Gao, Artem Oganov, Yanming Ma, Hui Wang, Peifang Li, Yinwei Li, Toshiaki Iitaka, Guangtian Zou
    • Organizer
      5th Asian Conference on High Pressure Research (ACHPR-5)
    • Place of Presentation
      松江
    • Year and Date
      2010-11-07
  • [Presentation] 氷Ih相の秩序相2010

    • Author(s)
      飯高敏晃
    • Organizer
      第51回高圧討論会
    • Place of Presentation
      仙台
    • Year and Date
      2010-10-20
  • [Presentation] 高圧下の水素ハイドレート2010

    • Author(s)
      張静雲, 郭哲来, 飯高敏晃
    • Organizer
      第51回高圧討論会
    • Place of Presentation
      仙台
    • Year and Date
      2010-10-20
  • [Presentation] 高圧クロミウムのスピン密度波2010

    • Author(s)
      李志, TSE JOHN, 飯高敏晃
    • Organizer
      第51回高圧討論会
    • Place of Presentation
      仙台
    • Year and Date
      2010-10-20
  • [Presentation] 氷Ih相の秩序無秩序相転移2010

    • Author(s)
      飯高敏晃
    • Organizer
      日本物理学会2010年秋季大会
    • Place of Presentation
      大阪
    • Year and Date
      2010-09-23
  • [Presentation] 高圧下の水素ハイドレート2010

    • Author(s)
      張静雲・郭哲来・飯高敏晃
    • Organizer
      日本物理学会2010年秋季大会
    • Place of Presentation
      大阪
    • Year and Date
      2010-09-23
  • [Presentation] First principles molecular dynamics study on filled ice hydrogen hydrate under pressure2010

    • Author(s)
      Jingyun Zhang, Jer-Lai Kuo, Toshiaki Iitaka
    • Organizer
      12th International Conference of the Physics and Chemistry of Ice (PCI-2010)
    • Place of Presentation
      札幌
    • Year and Date
      2010-09-05
  • [Presentation] Stability of ferroelectric ice2010

    • Author(s)
      Toshiaki Iitaka
    • Organizer
      12th International Conference of the Physics and Chemistry of Ice (PCI-2010)
    • Place of Presentation
      札幌
    • Year and Date
      2010-09-05
  • [Presentation] J-PARC超高圧中性子回折装置PLANETの概要と現状2010

    • Author(s)
      服部高典, 有馬寛, 阿部淳, 佐野亜沙美, 内海渉, 永井隆哉, 鍵裕之, 飯高敏晃, 片山芳則, 井上徹, 八木健彦
    • Organizer
      日本地球惑星科学連合2010年度大会
    • Place of Presentation
      幕張
    • Year and Date
      2010-05-22
  • [Presentation] 氷XI相の安定性2010

    • Author(s)
      飯高敏晃
    • Organizer
      日本地球惑星科学連合2010年度大会
    • Place of Presentation
      幕張
    • Year and Date
      2010-05-22
  • [Presentation] 高圧下の水素ハイドレート2010

    • Author(s)
      張静雲, 郭哲来, 飯高敏晃
    • Organizer
      日本地球惑星科学連合2010年度大会
    • Place of Presentation
      幕張
    • Year and Date
      2010-05-22
  • [Remarks]

    • URL

      http://yagi.issp.u-tokyo.ac.jp/shingakuiutsu/index.html

  • [Remarks]

    • URL

      http://www.iitaka.org/

  • [Remarks]

    • URL

      http://www.iitaka.org/~neutron/theory.html

  • [Remarks]

    • URL

      http://www.rikenresearch.riken.jp/eng/research/6495

  • [Remarks]

    • URL

      http://www.iitaka.org/gpgpu.html

URL: 

Published: 2012-07-19  

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