2017 Fiscal Year Annual Research Report
Materials Design and Exploration of Functions for Strongly Correlated Materials - Challenges to Non-equilibrium and Non-Periodic Systems
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16H06345
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
今田 正俊 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (70143542)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
有田 亮太郎 国立研究開発法人理化学研究所, 創発物性科学研究センター, 研究員 (80332592)
中村 和磨 九州工業大学, 大学院工学研究院, 准教授 (60525236)
酒井 志朗 国立研究開発法人理化学研究所, 創発物性科学研究センター, 研究員 (80506733)
山地 洋平 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 特任准教授 (00649428)
三澤 貴宏 東京大学, 物性研究所, 特任研究員 (10582687)
大越 孝洋 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 特任助教 (10750911)
只野 央将 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 若手国際研究センター, 研究員 (90760653)
野村 悠祐 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (20793756)
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| Project Period (FY) |
2016-05-31 – 2021-03-31
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| Keywords | 強相関電子系 / 第一原理計算 / 非平衡ダイナミックス / 高温超伝導機構 / 非周期系 / 機械学習 / 界面超伝導 / 非平衡超伝導 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
目標である強相関電子物質の非平衡系や界面表面などの非周期系の第一原理的な解明のための手法開発と応用、その前段階としてのバルク平衡系の未解明問題の解明にとって、まず高精度計算手法の開発は最優先で重要である。この研究方針に基づき、高精度のクラスター動的平均場理論および変分モンテカルロ法を用いたダイナミックス計算の手法を定式化し、前年度の時間依存変分モンテカルロ法の改良をもとに、非平衡、動的性質、励起状態解明のための手法開発改良を行なった。また界面研究に重要な電子格子相互作用を含む強相関系第一原理計算手法を定式化した。制限GW法の定式化を完成させ、銅酸化物の有効ハミルトニアンを導出した。テンソルネットワーク法と変分モンテカルロ法を組み合わせた手法(mVMCTN)、機械学習法を量子多体系に適用するための手法、量子多体系のためのダイアグラム展開法の開発改良と実装を行なった。mVMCとRESPACKなど低エネルギーソルバーについて、開発したアプリケーションのパッケージ化と公開を一部行ない、HΦについては機能を拡張した。
開発した手法を応用して推進した物理的課題は以下のとおりである。非平衡系手法をもとに、ポンププローブ法によるレーザー光照射で超伝導を増幅する原理（動的局在と電荷不均一抑制））と一つの道筋を示した。mVMCTNにより超伝導とストライプ状態の競合の様相を高精度に解明して、電荷一様な超伝導である励起状態とほぼ縮退するストライプ相基底状態の周期のキャリア濃度依存性を解明した。我々の提唱している隠れたフェルミオン（ダークフェルミオン）の性質解明が進んだ。非周期系の典型である、f電子とd電子を含む高性能永久磁石の候補の第一原理的探究やデータ科学と機械学習法を応用する道筋を追究した。以上、バルク平衡系の第一原理的高精度計算の手法開発と応用は大きく進み、非平衡系の研究も進んだ.
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
研究実績の概要に十分に記述できなかった進捗状況は以下のとおりである。機械学習を用いる手法の応用は当初の研究計画にはなかったが、平成29年度に試験的に吟味した結果、予想を超える精度が得られることがわかり、多方面への応用を開始した。まずハイゼンベルク模型やハバード模型のような量子多体格子模型の基底状態について、制限ボルツマン法を変分モンテカルロ法と組み合わせることによって、テンソルネットワーク法などの既存の最高精度のソルバーをも上回る精度が達成できることを示した。さらに深層ボルツマンマシンへも拡張し、厳密な基底状態を求められる場合の定式化を示した。
一方、現状で測定可能な実験データからは求められない物理量をボルツマンマシンによる機械学習法で推定する方法の開発に取り組み、30年以上未知であった、銅酸化物超伝導相での、既知の実験データのみをもとに、1粒子グリーン関数の正常、異常部分の自己エネルギーを分離して求めることに成功し、これらが虚部に顕著なピークを持つことを解明した。この顕著なピークが超伝導を引き起こす主因であることも示し、我々が以前から主張している「隠れたフェルミオン理論」が現実の銅酸化物の超伝導の物理的機構を与えていることを実験データの新たな解析によって明らかにした。またダークフェルミオンを捉える変分モンテカルロ法の定式化を行なった。
極小ドープ域の解析から、擬ギャップを生み超伝導を引き起こす隠れたフェルミオンがモットギャップを生むフェルミオンと同一の起源をもつことを解明した。
電荷不均一ストライプ状態にレーザーを照射した場合もストライプを破壊して超伝導が増幅することを示した。
また当初の研究計画の高精度計算手法開発、非平衡、非周期系の計算手法開発を進め、バルク平衡系と非平衡系、非周期系の第一原理的なあるいは高精度での解明は研究実績の概要に既述したように順調に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の計算手法開発推進の進め方は以下のとおりである。クラスター動的平均場理論および変分モンテカルロ法を用いたダイナミックス計算の手法開発を進め、コードに実装する。さらに非平衡、動的性質、励起状態解明のための手法開発、拡張を引き続き進める。電子格子相互作用を含む強相関系第一原理計算を超伝導体界面に適用する方法をコードに実装する。以下の3つの高精度低エネルギーソルバーの手法改良をさらに進め、コードへの実装も進める。1.テンソルネットワーク法と変分モンテカルロ法を組み合わせた手法。2.機械学習法を量子多体系に適用するための手法。3．量子多体系のためのダイアグラム展開法の開発改良。スピン軌道相互作用の大きな物質群を第一原理的に扱う手法をMACEの中に組み込む。制限GW法や低エネルギーソルバーなど、開発したアプリケーションのパッケージ化を推進する。
開発する手法を応用して推進する物理的課題は以下のとおりである。非平衡系手法をもとに、非平衡超伝導への応用を進める。特にポンププローブ法によるレーザー光照射で超伝導を増幅する道筋をさらに追求する。非平衡超伝導の実験結果を解析するために、電子格子相互作用の役割解明を進める。ダイナミックスの手法を用い、銅酸化物超伝導を含む高温超伝導の本質解明を進める。銅酸化物超伝導体界面が優れた特性をもつ理由を第一原理的に明らかにする。高精度の低エネルギーソルバーを活用し、銅酸化物有効ハミルトニアンの示す性質を高精度に求める。直接に測定できない物理量を実験データの機械学習解析で抽出し、高温超伝導などの機構解明に役立てる。f電子とd電子を含む高性能永久磁石の候補の第一原理的探究やデータ科学と機械学習法を応用する道筋を追求する。磁壁を含むトポロジカル物質、スピン軌道相互作用の大きな物質群を第一原理的に扱い、表面界面の特異物性を追求する準備を進める。
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