2022 Fiscal Year Annual Research Report
Development of ab-initio spin dynamics simulator and its application to spintronics materials
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20K05303
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
佐藤 和則 大阪大学, 大学院工学研究科, 准教授 (60379097)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 第一原理計算 / スピントロニクス / コヒーレントポテンシャル近似 / KKRグリーン関数法 / QSGW法 / 磁気励起特性 / 計算機マテリアルデザイン / 不純物発光中心 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
スピントロニクス材料や磁気冷凍材料などの機能材料について、その有限温度での物性を第一原理から精度よく計算する手法を開発し、新規材料のデザインに応用することを目的として研究を実施した。本年度は、(1)固体中の遷移金属・希土類金属不純物のモデル化と励起特性計算、(2)ハイエントロピー合金の物性の網羅計算、を実施した。
(1)について、固体中の不純物を記述する配位子場理論に基づきモデルを構築し、そのパラメータを準粒子自己無撞着GW(QSGW)法による高精度バンド計算を参照して決定する方法論を開発した。本方法を発光材料である希土類添加GaNや酸化物中の遷移金属発光中心に応用し、実験結果と矛盾ない結果を得た。これにより、バンド構造と多電子励起特性を対応づけることが可能となり、励起状態を含めたマテリアルデザインの可能性が拓けた。
(2)について、５元ハイエントロピー合金の電子状態をKKR-CPA法により網羅的に計算し、格子定数や弾性定数などの機械的特性のほか、磁化やキュリー温度などの磁気的特性を網羅的に計算した。機械学習などの統計的方法を適用することで物性値の予測モデルの構築し、系統性の起源を明らかにした。
密度汎関数法(DFT)に基づき新規材料の予測を行う「計算機マテリアルデザイン」はマテリアルズインフォマティクスの試みの一つとして普及しているが、DFTが原理的に基底状態のみの予測しかできないところに難点があった。本研究において、第一原理計算とモデル計算をうまく連結することで、基本的な強磁性体のほか、Co2(Mn, Fe)Siなどハーフメタリックハーフホイスラー合金、希土類添加半導体の磁性および光特性、Feベース磁気冷凍材料など様々な機能材料について、有限温度磁性や発光特性など励起状態が絡んだマテリアルデザインを可能とする基礎計算技術を開拓することができた。
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