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2011 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, 量子ビーム物性制御・解析技術研究ユニット, 研究主幹 (60370350)
土屋 旬  愛媛大学, 上級研究員センター, 講師 (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 / ナノダイアモンド / 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。
水素結合中のプロトンダイナミクスは、鉱物はもちろん、多くの化学系、生命系における基礎過程である。我々は氷高圧相(IceVII)のプロトン電気伝導度の圧力依存性を、イオン欠陥と回転欠陥の非平衡統計力学、および酸素原子と水素原子の分子動力学計算の二つ方法を用いて考察した。その結果、プロトン伝導度の圧力依存性におけるピーク、IceVIIの「プラスティック相」から「結晶相」への遷移、X線回折パターンの異常、X線励起による(H2)(02)結晶の生成などの現象を統一的に議論する視点を得た。
高温高圧水の特異な動的性質に由来すると考えられる、実験で観測されているラマン散乱スペクトルの変角振動ピークの消失を第一原理分子動力学を用いて再現した。第一原理電子状態計算法により蛇紋石(Antigorite,Lizardite)の高圧下での構造と弾性を明らかにした。第一原理Peierls-Nabarro-Galerkinモデルに基づき計算を行い、含水wadsleyiteの流動特性に関し3つの主要なすべり系において、無水wadsleyiteの結果と比較してパイエルスポテンシャルが顕著に低くなることを確認した。ナノ多結晶ダイヤモンド形成の中心課題である、sp2-sp3混合超大規模系(10nmスケール系)に適した並列計算手法および、ナノドメイン解析を行う独自の理論と原子構造可視化ソフトを開発した。その他に高圧中性子実験と関連して、高い超伝導転移温度を持つカルシウム水素化物の高圧相を予測した。液体ガリウムの高圧下の構造と物性を明らかにした。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

氷高圧相のプロトンダイナミクスの基礎過程とその影響を明らかにできた。高温高圧水の物理的・化学的性質の理論的解明に進展がみられた。蛇紋石および含水リングウッダイトの高圧下での構造と弾性、含水wadsleyiteの流動特性、新しいオーダーN電子状態計算法、独自の原子構造可視化ソフトなどにおいて進展がみられた。マグマの研究は、ターゲットを絞る段階で時間をとっている。

Strategy for Future Research Activity

氷高圧相のプロトンダイナミクスの基礎過程とその影響をさらに詳細に評価し、各種実験結果と比較する。高温高圧水の振動スペクトルの解析を継続し、ピーク消失の原因を明らかにする。既に得られた大規模計算手法と解析手法とを組み合わせて、ナノダイアモンド系のsp2-sp3混合超大規模系研究を行う。これまでの成果をまとめ含水鉱物の構造と物性の全体像を明らかにする。
さらに、平成24年度に実験班が開始予定の中性子実験に関する理論的なサポートを行う。

  • Research Products

    (44 results)

All 2012 2011 Other

All Journal Article (10 results) (of which Peer Reviewed: 10 results) Presentation (32 results) Remarks (2 results)

  • [Journal Article] Superconductive "sodalite"-like clathrate calcium hydride at high pressures2012

    • Author(s)
      Hui Wang, John S Tse, Kaori Tanaka, Toshiaki Iitaka, Yanming Ma
    • Journal Title

      Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)

      Volume: 109 Pages: 6463-6366

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] First-principles study of liquid gallium at ambient and high pressure2011

    • Author(s)
      J.Yang, J.S.Tse, T.Iitaka
    • Journal Title

      J.Chem.Phys.

      Volume: 135 Pages: 044507

    • DOI

      doi:10.1063/1.3615936

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Implementation of GPU-FFT into Planewave Based First Principles Calculation Method2011

    • Author(s)
      Hidekazu Tomono, Masaru Aoki, Toshiaki Iitaka, Kazuo Tsumuraya
    • Journal Title

      Journal of Computational Science and Technology

      Volume: 5 Pages: 89-105

    • DOI

      doi:10.1299/jcst.5.89

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Electronic and magnetic structure of the high pressure phase of Li2CuO22011

    • Author(s)
      Z.Li, J.S.Tse, S.You, C.Q.Jin, T.Iitaka
    • Journal Title

      International Journal of Modern Physics B

      Volume: 25 Pages: 3409-3414

    • DOI

      doi:10.1142/S0217979211101909

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] First-principles prediction of post-pyrite phase transitions in germanium dioxide2011

    • Author(s)
      H.Dekura, T.Tsuchiya, J.Tsuchiya
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 83 Pages: 134114

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.83.134114

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Stacking-disordered phase of iron in the Earth's inner core from first principles2011

    • Author(s)
      T.Ishikawa, J.Tsuchiya, T.Tsuchiya
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 83 Pages: 054115

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.83.212101

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Theoretical and experimental evidence for a new post-cotunnite phase of titanium dioxide with significant optical absorption2011

    • Author(s)
      H.Dekura, T.Tsuchiya, Y.Kuwayama, J.Tsuchiya
    • Journal Title

      Physical Review Letters

      Volume: 107 Pages: 045701

    • DOI

      10.1103/PhysRevLett.107.045701

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Efficient and accurate linear algebraic methods for large-scale electronic structure calculations with nonorthogonal atomic orbitals2011

    • Author(s)
      H.Teng, T.Fujiwara, T.Hoshi, T.Sogabe, S.-L.Zhang, S.Yamamoto
    • Journal Title

      Phys.Rev.B

      Volume: 83 Pages: 165103,1-12

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.83.165103

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] 一般化固有値問題に対するArnoldi(M;W;G)法2011

    • Author(s)
      山下達也, 宮田考史, 曽我部知広, 星健夫, 藤原毅夫, 張紹良
    • Journal Title

      日本応用数理学会論文誌

      Volume: 21 Pages: 241-254

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] An order-N electronic structure theory with generalized eigenvalue equations and its application to a ten-million-atom system

    • Author(s)
      T.Hoshi, S.Yamamoto, T.Fujiwara, T.Sogabe, S.-L.Zhang
    • Journal Title

      J.Phys. ; Condensed Matter

      Volume: (印刷中)

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 氷高圧相におけるプロトン拡散2012

    • Author(s)
      飯高敏晃
    • Organizer
      日本物理学会第67回年次大会
    • Place of Presentation
      西宮日本
    • Year and Date
      2012-03-27
  • [Presentation] 高温高圧下の水の第一原理シミュレーション2012

    • Author(s)
      池田隆司
    • Organizer
      日本物理学会第67回年次大会
    • Place of Presentation
      関西学院大学(西宮)
    • Year and Date
      2012-03-25
  • [Presentation] Novel linear-algebraic theories in large-scale electronic structure calculation and its application to nano-materials2012

    • Author(s)
      T.Hoshi, T.Sogabe, S.Yamamoto, S.Nishino, T.Fujiwara, S.-L.Zhang
    • Organizer
      Dresden-Kobe Joint Workshop on Electronic Simulations for Nanosystems
    • Place of Presentation
      神戸大学、神戸(招待講演)
    • Year and Date
      2012-03-07
  • [Presentation] BL11建設すご録2012

    • Author(s)
      服部高典, 佐野亜沙美, 有馬寛, 内海渉, 永井隆哉, 飯高敏晃, 鍵裕之, 片山芳則, 井上徹, 八木健彦
    • Organizer
      第3回MLFシンポジウム
    • Place of Presentation
      東海村日本
    • Year and Date
      2012-01-19
  • [Presentation] 氷衛星の非平衡統計力学2012

    • Author(s)
      飯高敏晃
    • Organizer
      統計物理学コロキューム「ゆらぎ、不可逆性および秩序ダイナミクス」
    • Place of Presentation
      東京日本
    • Year and Date
      2012-01-18
  • [Presentation] Theoretical and experimental evidence of the densest form in metal dioxide2011

    • Author(s)
      Jun Tsuchiya, Haruhiko Dekura, Yasuhiro Kuwayama, Taku Tsuchiya
    • Organizer
      American Geophysics Union, Fall Meeting
    • Place of Presentation
      San Francisco, USA
    • Year and Date
      2011-12-08
  • [Presentation] Li4GeS4、Li3PS4中Liイオンのダイナミックス:第一原理電子構造計算および長時間(ns)タイトバインディング分子動力学計算を用いた解析2011

    • Author(s)
      西野信也, 藤原毅夫, 山元進, 山崎久嗣, 山本智, 星健夫
    • Organizer
      第37回固体イオニクス討論会
    • Place of Presentation
      鳥取
    • Year and Date
      2011-12-08
  • [Presentation] Lattice thermal conductivity of minerals in the deep mantle condition2011

    • Author(s)
      Haruhiko Dekura, Taku Tsuchiya, Jun Tsuchiya
    • Organizer
      American Geophysics Union, Fall Meeting
    • Place of Presentation
      San Francisco, USA
    • Year and Date
      2011-12-05
  • [Presentation] The overview and the current construction state of the high-pressure neutron diffractometer PLANET at J-PARC2011

    • Author(s)
      Takanori Hattori, Hiroshi Arima, Asami Sano, Wataru Utsumi, Takaya Nagai, Toshiaki Iitaka, Hiroyuki Kagi, Yoshinori Katayama, Toru Inoue, Takehiko Yagi
    • Organizer
      1st Asia-Oceania Conference on Neutron Scattering (1st AOCNS)
    • Place of Presentation
      Tsukuba Japan
    • Year and Date
      2011-11-20
  • [Presentation] J-PARC超高圧中性子回折装置PLANETの概要と目指すところ2011

    • Author(s)
      服部高典, 有馬寛, 佐野亜沙美, 内海渉, 永井隆哉, 飯高敏晃, 鍵裕之, 片山芳則, 井上徹, 八木健彦
    • Organizer
      2011年日本化学会西日本大会
    • Place of Presentation
      徳島日本
    • Year and Date
      2011-11-13
  • [Presentation] メタンハイドレートの低温高圧物性2011

    • Author(s)
      田中岳彦, 平井寿子, 青木勝敏, 飯高敏晃, 松岡岳洋, 大石泰生, 山本佳孝, 八木健彦
    • Organizer
      第52回高圧討論会
    • Place of Presentation
      那覇日本
    • Year and Date
      2011-11-09
  • [Presentation] 金属二酸化物における高圧下ポストコチュナイト構造探索2011

    • Author(s)
      出倉春彦, 土屋卓久, 桑山靖弘, 土屋旬
    • Organizer
      第52回高圧討論会
    • Place of Presentation
      沖縄
    • Year and Date
      2011-11-09
  • [Presentation] 高温高圧下におけるMgOの第一原理格子熱伝導率計算2011

    • Author(s)
      出倉春彦, 土屋卓久, 土屋旬
    • Organizer
      第52回高圧討論会
    • Place of Presentation
      沖縄
    • Year and Date
      2011-11-09
  • [Presentation] Li ion dynamics in Li4GeS4 and Li4GeP4 : First Principle Electronic Structure Calculation and Long Time Tight Binding Molecular Dynamics Simulation2011

    • Author(s)
      S.Nishino, T.Fujiwara, H.Yamasaki, S.Yamamoto, S.Yamamoto, T.Hoshi
    • Organizer
      The 14th Asian Workshop on First-Principles Electronic Structure Calculations
    • Place of Presentation
      東京大学、東京
    • Year and Date
      2011-10-31
  • [Presentation] Low temperature structure of filled ice hydrogen hydrate : an ab initio molecular dynamics study2011

    • Author(s)
      Jingyun Zhang, Jer-Lai Kuo, Toshiaki Iitaka
    • Organizer
      14th Asian Workshop on First-Principles Electronic Structure Calculations (ASIAN14)
    • Place of Presentation
      Tokyo Japan
    • Year and Date
      2011-10-30
  • [Presentation] Li4GeS4の量子分子動力学シミュレーション2011

    • Author(s)
      西野信也, 藤原毅夫, 山崎久嗣, 山本智, 山元進, 星健夫
    • Organizer
      第52回電池討論会
    • Place of Presentation
      東京
    • Year and Date
      2011-10-18
  • [Presentation] Proton dynamics in ice phases under high pressure2011

    • Author(s)
      Toshiaki Iitaka
    • Organizer
      Workshop on Dynamics and Structure of Water : From Gas Phase Clusters to Condensed Phase
    • Place of Presentation
      Taipei Taiwan(招待講演)
    • Year and Date
      2011-10-16
  • [Presentation] 氷におけるプロトンダイナミクス2011

    • Author(s)
      飯高敏晃
    • Organizer
      日本物理学会2011年秋季大会
    • Place of Presentation
      富山日本
    • Year and Date
      2011-09-24
  • [Presentation] Pythonによる電子状態計算むけ原子構造可視化ツールの開発2011

    • Author(s)
      川居佳史, 田中辰典, 秋山洋平, 星健夫
    • Organizer
      日本物理学会
    • Place of Presentation
      富山大学、富山
    • Year and Date
      2011-09-22
  • [Presentation] Quantum Molecular Dynamics Simulation of the Ionic Liquid PP13-TFSA Doped with LiTFSA2011

    • Author(s)
      S.Nishino, T.Fujiwara, H.Yamasaki, S.Yamamoto, S.Yamamoto, T.Hoshi
    • Organizer
      62nd Annual Meeting of the International Society of Electrochemistry-Electrochemical Frontiers in Global Environment and Energy
    • Place of Presentation
      新潟
    • Year and Date
      2011-09-15
  • [Presentation] 電子状態計算から見た自動チューニングへの期待2011

    • Author(s)
      星健夫
    • Organizer
      日本応用数理学会
    • Place of Presentation
      同志社大学,京都(招待講演)
    • Year and Date
      2011-09-14
  • [Presentation] Large-scale electronic structure calculation with ELSES and its application to conjugated polymer2011

    • Author(s)
      T.Hoshi, S.Nishino, Y.Zempo, S.Yamamoto, T.Fujiwara, T.Sogabe, S.-L.Zhang, M.Ishida
    • Organizer
      Seventh Congress of the International Society for Theoretical Chemical Physics (ISTCP-VII)
    • Place of Presentation
      早稲田大学,東京
    • Year and Date
      2011-09-08
  • [Presentation] Proton dynamics in ice phases under high pressure2011

    • Author(s)
      Toshiaki Iitaka
    • Organizer
      6th Conference of the Asian Consortium on Computational Materials Science (ACCMS-6)
    • Place of Presentation
      Singapore
    • Year and Date
      2011-09-06
  • [Presentation] 氷におけるプロトンダイナミクス2011

    • Author(s)
      飯高敏晃
    • Organizer
      平成23年度低温科学研究所萌芽研究「氷の物理と化学研究の新展開2011」共同研究集会
    • Place of Presentation
      札幌日本
    • Year and Date
      2011-09-05
  • [Presentation] Multimegabar phase relations of major Earth and planetary materials2011

    • Author(s)
      Taku Tsuchiya, Haruhiko Dekura, Yasuhiro Kuwayama, Jun Tsuchiya
    • Organizer
      Goldschmidt conference
    • Place of Presentation
      Prague Czech
    • Year and Date
      2011-08-19
  • [Presentation] Ab initio study on lattice thermal conductivity of minerals2011

    • Author(s)
      Haruhiko Dekura, Taku Tsuchiya, Jun Tsuchiya
    • Organizer
      Goldschmidt conference
    • Place of Presentation
      Prague Czech
    • Year and Date
      2011-08-17
  • [Presentation] Pythonを用いた電子状態計算むけ原子構造可視化ツールの開発2011

    • Author(s)
      川居佳史, 田中辰典, 秋山洋平, 星健夫
    • Organizer
      応用物理学会・日本物理学会・日本物理教育学会中国四国支部2011年度合同支部学術講演会
    • Place of Presentation
      鳥取
    • Year and Date
      2011-07-30
  • [Presentation] Electronic structure calculations and quantum molecular dynamics simulations of the ionic liquid PP13-TFSA2011

    • Author(s)
      S.Nishino, T.Fujiwara, H.Yamasaki, S.Yamamoto, T.Hoshi
    • Organizer
      the 18th International Conference on Solid State Ionics
    • Place of Presentation
      ワルシャワ、ポーランド
    • Year and Date
      2011-07-04
  • [Presentation] シラン・水素結晶における圧力誘起分子間相互作用2011

    • Author(s)
      Yim Wai-Leung, Tse Jhon Sak, 飯高敏晃
    • Organizer
      日本地球惑星科学連合2011年度大会
    • Place of Presentation
      千葉日本
    • Year and Date
      2011-05-24
  • [Presentation] 超高圧中性子回折装置PLANET first beam受け入れました!2011

    • Author(s)
      服部高典, 有馬寛, 佐野亜沙美, 阿部淳, 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2011年度大会
    • Place of Presentation
      千葉日本
    • Year and Date
      2011-05-23
  • [Presentation] 結晶構造予測法とGPUの生物学への応用2011

    • Author(s)
      飯高敏晃
    • Organizer
      理研シンポジウム:社会知創成中村特別研究室+揺律機能研究チーム連携ワークショップ「生物を律する揺らぎのメカニズムを追い求めて~光合成と生体信号~」
    • Place of Presentation
      和光日本
    • Year and Date
      2011-04-20
  • [Presentation] 結晶構造予測2011

    • Author(s)
      飯高敏晃
    • Organizer
      新学術領域研究・学術創成研究合同研究会「高圧中性子」
    • Place of Presentation
      那須日本
    • Year and Date
      2011-02-20
  • [Remarks]

    • URL

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

  • [Remarks]

    • URL

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

URL: 

Published: 2013-06-26  

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