2021 Fiscal Year Annual Research Report
Theory of chemical binding in beyond-Born-Oppenheimer chemistry and its applications to complex molecular systems
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20H00373
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
高塚 和夫 京都大学, 福井謙一記念研究センター, 研究員 (70154797)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 非断熱電子動力学 / 化学動力学 / 理論化学 / 励起状態動力学 / 擬縮重電子状態理論 / クラスタ―化学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
開発中の化学領域「超ボルン・オッペンハイマー化学」，あるいは「非断熱電子動力学理論」で支配される領域の基礎理論をより一般的に定式化し，原子核の動きと同期して電子波動関数が実時間変動する様子を直接観る方法論を開拓し，新たな結合論，反応論，電子状態論に関する化学概念の深化と応用を行っている．これにより，従来の化学理論を超える，新たな化学領域での化学反応の制御や複雑な現象の定性的な予言を目指している．未踏の研究領域の核心となる特徴的な化学結合の本質とその複雑電子系が作り出す反応場の開拓を中心課題として進めており，本課題の開始から本年度にかけて，質的に多彩な研究成果が得られた．また，将来の研究展開のための布石となる基礎研究も進展している．例えば，（１）分子の全電子・原子核を含む全量子動力学のための時間依存変分理論（量子力学的Maupertuis-Hamiltonの原理）の構築，（２）化学反応における非断熱スピン流波束の理論，（３）量子力学的Huygensの理論によるGauss波束の回折・分波・トンネル現象の理論，（４）非断熱電子動力学と確率過程理論の関連性の解明，（５）我々が開発したエネルギー自然軌道による超密集高励起電子状態における動的化学結合の解析，などである．
非断熱電子動力学の解析理論として生まれたネルギー自然軌道理論の具体的な応用によって，出版70年目の記念の年に当たる福井謙一のフロンティア軌道理論から出発して，Woodward-Hoffmann禁制反応，Jahn-Teller理論，擬Jahn-Teller現象，円錐交差の理論など，骨格となる化学理論を統一的な視点から再検討し，理論化学の現代的な再構築を図ることができた．同様に，1963年に提案され今も代表的な化学結合論とみなされているRuedenberg理論を超えた，理論的に不変な化学結合論の構築を行うことができた．
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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
研究実績概要の項で述べたように，理論や研究を展開するアイデアという面で，順調あるいは思いがけない良い発展があった．さらに追究すべきことが次々と現れて，研究が順調あるいはそれ以上に展開できていると自己評価している．特に，新たに確立したエネルギー自然軌道の方法（Energy Natural Orbital（ENO））は，非断熱電子動力学系ほど複雑ではなくても，通常の量子化学の一般的な解析手法としても使うことができるため，量子化学理論の標準的な方法論として，広く使っていただけることと思っている．例えば，配置間相互作用型の波動関数やクラスター展開した波動関数など，高精度に電子相関を考慮した一般の波動関数を使って，「分子内に広がるエネルギー分布」の「軌道解析」を行うことができる．近年，高精度を求めるために，定性的理解を犠牲にせざるを得ない大規模な量子化学計算の技術と実際が進展しているが， ENOは，その中にあって理解しやすく，かつ，理論的に厳密な方法論を提供する．それは，分子内電子分布の不変一電子描像を与える「自然軌道」（Natural Orbitals）の「エネルギー分布」版に対応している．
一方，Covidの世界的蔓延によって，学会を含む人的交流が遮断され，特に期待していた共同研究者（博士研究員）の採用が不可能になってしまい，その方面で予定していた成果を出すことはできなかった．
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| Strategy for Future Research Activity |
研究計画は、電子動力学の遅い運動のタンパクなどの外場中への埋め込みの数値計算の面を別にすれば，ほぼ順調に進行していると認識している。本課題研究は順調に進んでいるばかりではなく、新たな課題や挑戦的領域の拡張が続いている。しかし，我々が開発してきた電子動力学理論を，密度汎関数法などの理論と結合させるプロジェクトは，一つの柱として進めたいと思っており，本年度採用できなかった博士研究員のための人件費を次年度に繰り越したので，なるべく早く採用に漕ぎつけたい．
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