2018 Fiscal Year Research-status Report
Self-consistent electron-lattice simulation methods for the strongly correlated quantum systems
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18K03456
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
草部 浩一 大阪大学, 基礎工学研究科, 准教授 (10262164)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
石田 邦夫 宇都宮大学, 工学部, 教授 (40417100)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 強相関電子系 / 密度汎関数法 / 銅酸化物 / エキシトン / RPA / 多体摂動論 / GW |
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| Outline of Annual Research Achievements |
層状銅酸化物高温超伝導体の正孔キャリア分布と超伝導の同時自己無撞着再現が可能なことを、２粒子自己無撞着計算（TPSC）を３層水銀系銅酸化物の有効模型に拡張適用して示した。多層系銅酸化物で１層系よりも３層系が転移温度が高くなる特徴を、理論的に説明した。さらに、MR-DFTによるUの決定法を検討し、c-RPA計算により、水銀１層系とタリウム１層系の超伝導転移温度の差異が、遮蔽効果の物質差に起因することを論じた。よって、正孔密度と相関強度Uの自己無撞着決定は可能であり、弱結合理論結果と実験との整合性からはフェルミ準位近傍での相関効果が電子密度分布の変化を主として与えており、得られる原子構造は実験に整合すると結論した。
強電場下におけるGaAsやGaNによる量子井戸構造でのエキシトン光学スペクトル計算を行い、量子閉じ込め効果と波動関数の特徴的な量子運動を決定した。また、半導体中の素励起間有効相互作用の決定をc-RPA計算を元にして評価し、エキシトンダイナミクスの量子計算プログラムを構築した。
強相関系用の多配置参照密度汎関数法において力定理の一般化は可能である。そこで、PBE+U計算を元にして励起TNT分子の断熱ポテンシャル面評価を行った。相関効果はあまり強く見いだされなかったが、１電子触媒効果として電子移動励起が水素脱離反応を誘発する結果を得た。一方、グラファイトの断熱ポテンシャル面に対する相関項（U項）の効果を見出すことに成功した。同時に、強相関性を多様に発現する原子層物質におけるダイナミカルな電子・格子自由度相関を検討した。コヒーレントフォノン導入により動的にエッジ状態の発生を制御する方法、Ni/BN/Ni接合における格子振動駆動によるスピン流反転効果を予言した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
平成３０年度の最大の目標は、MR-DFTによるU決定法を応用したときに、電子相関効果が電子密度分布に影響する例を確定することであるが、多層系銅酸化物が典型的な例であることを示して、この目的を達成した。正孔密度と相関強度Uの自己無撞着決定法として、TPSCが有効である。強相関系の電子状態計算法が与える原子構造が実験に整合する例も提示した。
さらに、物質構造の特徴を与える各種力学特性や、断熱ポテンシャル面に、電子相関効果の有無による差異を見出すことを進めた。TNT分子での化学反応過程は、若干の効果は見いだされたが、基本的には荷電移動が反応を支配していると結論した。一方、最近実験グループと共同で進めているグラファイトの弾性定数決定の研究から、RPAレベルの評価結果が実験を説明仕切れない一方で、電子相関効果を導入した場合に実験値を定量的に説明し得る可能性が見いだされた。
これらの点からは、本研究の進捗は順調であり、何点かの新規な発見を伴ったことからは、当初の計画を超えた展開があったとも考えている。
原子間力の直接評価については、コーディングの基礎となる電子局在軌道への射影演算子に対する原子座標微分の計算法の検討を進めている。また、量子ダイナミクス計算に関しては、複数のコードを開発してきたが、Uの決定計算と連動させるなど、さらに発展させる余地がある。そこで、本研究の進捗状況は、予定した課題の解決と同時に、新たな課題を見出してきているという段階にある。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究は、電子系の強相関性を精密評価しながら、その効果が物質構造やその弾性特性、電子格子相互作用などに、広く影響を及ぼすことを示すことが目的である。電子格子相互作用と有効電子間相互作用評価を同じ物質系で同時に行うことを計画している。その結果の精度は、実測データとの直接比較から検討する必要がある。そこで、実験グループとの連携がより進むように研究計画を改善し、当初計画である自己無撞着構造計算法開発を達成すると同時に、その適用事例を多様な実測データとの直接比較という方法によって与えていく。
現在、KEKの福本特任助教との間では、半導体励起状態についての時間分解PEEM測定の結果の解析を、大阪大学工学研究科の荻教授・カネカ村上博士らとは、グラファイトの弾性特性の評価を進めている。さらに、原子層物質での電子相関効果と電子・格子相互作用に関連する理論研究を、インドネシア大学Majidi教授、JAXA研究員森下氏、と進めている。化学反応過程としての脱水縮合反応を例にした高速の化学反応ダイナミクスを、ダイセル研究員牧野氏らと進めている。
３１年度には、動的過程で現れる強相関状態を表現するために、有効電子間相互作用決定法を用いた原子間力決定を進める。この開発は、㈱アドバンスソフトの西原材料システム開発室長らと進めているMR-DFT用電子密度計算アルゴリズムに直結させて進めているもので、相互補完の効果が期待できる。また、電子・格子系の動力学的性質を精密評価するため、各種半導体でのエキシトン、バイエキシトン状態を有効的に再現する方法を構築する。ナノグラフェンに特有の局在電子状態(ゼロモード)におけるUの発生を定量的に確定させ、ナノグラフェン磁性現象の電子・格子相互作用による制御等の新現象を解明する。
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| Causes of Carryover |
物品費の使用にあたり割引特典を受けたため。翌年度においてデータ保管用補助記憶装置の購入を行う。
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