2017 Fiscal Year Annual Research Report
第一原理計算と実験・計測のデータ同化による物質構造探査手法の開発と実証
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17H02930
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
常行 真司 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (90197749)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
藤堂 眞治 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (10291337)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 物質構造探査 / データ同化 / 第一原理計算 / 結晶構造解析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
高精度スペクトロスコピーや顕微観察手法、オペランド計測手法などの実験・計測手法や、電子論に基づく計算機シミュレーションの著しい発展により、複雑な材料組織や原子配列、精密な電子状態や化学反応の動力学など、これまで手の届かなかった物質・材料に関する詳細な情報が得られるようになりつつある。一方で、複雑な系の構造や物性を定量的に解析し解釈するためには、実験・計測と計算機シミュレーションを適切に組み合わせた、総合的なデータ解析手法が求められている。そこで本研究では、非経験的な電子論に基づく計算機シミュレーションにデータ科学的手法を組み合わせることにより、実測データを活かして物質の精緻な構造解析を可能にする、物性データ同化シミュレーション手法の開発を行う。
データ同化とは、気象予報などの計算機シミュレーションに観測値の時間変化を逐次取り入れることで、より現実に近い答えを出すために用いられる手法である。電子論や原子論に基づくミクロな物性シミュレーションには時間がかかるため、計測データを逐次取り入れることはできないが、ミクロな物性シミュレーションは実空間における局所的な構造や物性の予測を得意とするのに対し、実験は長距離秩序や波数空間でのデータ取得を得意としており、両者は相補的に利用できると期待される。本研究では、時間変化に限定せず、計測データを取り入れることで物性シミュレーションの信頼性を向上させる手法の開発を目指し、これを「物性データ同化シミュレーション」と呼ぶこととする。
計測データを取り入れて物性シミュレーションの信頼性を向上させる「物性データ同化シミュレーション手法」は、将来的には電子状態や格子振動まで含めた広範囲での応用が見込まれるが、本研究課題では具体的ターゲットを物質の構造決定に限定し、回折実験データを用いた物性データ同化の手法開発と実証研究を行う。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
電子論に立脚した第一原理計算で得られるエネルギーに、回折データの実測値と計算値のずれに対してペナルティを与える関数を適切な重みで足し合わせた、物性データ同化のための評価関数を定義する。この評価関数の大局的な最安定点を探査することにより、局所的な構造や物性の予測を得意とする第一原理計算と、秩序を反映した波数空間でのデータ取得を得意とする実験の、両方の利点を活かした構造探査を実現する。そのために最適な評価関数の検討、評価関数の最安定点探査手法の検討、手法の汎用化を行い、第一原理計算を用いた実証計算を行うことが、本研究の目的である。
今年度はペナルティ関数として、X線粉末回折スペクトルの実測値と計算値のずれを用いる手法と、回折強度は利用せず回折角度だけから定義される結晶化度を用いる手法について、汎用分子動力学法プログラムLAMMPSを利用したシミュレーションプログラムの整備を行い、従来テストに用いてきたシリコン以外でも構造探査が実行できるようにした。これを用いて、優秀な原子間力モデルポテンシャルのあるシリカ(SiO2)の多形について、構造探索の条件を検討し、ペナルティ関数の最適化を行った。
この間、外部専門家からの指摘により、検討していたペナルティ関数では回折データの実測値と計算値の大きなずれに対応できない可能性があることが判明したため、プログラムの修正と追加計算を行ったたため、計画に遅れが生じた。
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| Strategy for Future Research Activity |
原子間力モデルポテンシャルを用いたプログラム開発と実証はほぼ終了した。原子間力モデルのない系にも適用するため、第一原理分子動力学法との接続を開始しており、その完成を最優先の課題とする。
プログラム完成後は、実際の未知構造探索に適用し、手法の改良と拡張につなげる。
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Research Products
(6 results)
