2020 Fiscal Year Research-status Report
Molecular dynamics study of non-equilibrium materials based on first-principles calculation and machine learning
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20K14378
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| Research Institution | Okayama University |
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Principal Investigator |
三澤 賢明 岡山大学, 自然科学研究科, 助教 (00823791)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 分子動力学 / 第一原理 / 機械学習 / 圧力誘起構造変化 / 衝撃圧縮 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
第一原理分子動力学法の計算精度を保ちながら，取り扱うことのできる空間的・時間的スケールを大幅に拡張できる可能性のある手法として，人工ニューラルネットワークを用いた機械学習に基づき構築した原子間ポテンシャル（ANNポテンシャル）を用いた分子動力学法が大きな注目を集めている．本研究では，このANNポテンシャルの適用可能範囲を非平衡性の強い過程へ拡大するため，quartz結晶における衝撃圧縮挙動の再現を試みている．
令和２年度は，ある原子配列に対するポテンシャルエネルギーの情報のみを教師データとして利用した標準的な学習法により構築したANNポテンシャルを用いることで，弾性波衝撃圧縮挙動を精度良く再現できることを明らかにした．加えて，より非平衡性の強い塑性波衝撃圧縮挙動を再現するため，ポテンシャルエネルギーに加えて原子にはたらく力と圧力も教師データとして用いることで，より高性能なANNポテンシャルを構築することを試みた．この方法で試作したANNポテンシャルを用いることで，標準的な学習法では再現できなかった弾-塑性遷移の挙動を概ね良好な精度で再現することに成功した．
さらに上記と並行して，fayalite結晶における圧力誘起非晶質化現象の分子動力学的研究に着手した．fayaliteは40 GPa程度の加圧により温度に依らない非晶質化を示すことが実験的に知られているが，微視的な構造変化機構および非晶質相の構造的特徴について分子動力学法に基づく解析は行われていなかった．本研究では第一原理分子動力学法に基づき常圧から120 GPaまでの加圧および減圧のシミュレーションを実施した．その結果，圧力によって非晶質化したfayalite中にはmelt-quench過程で生成したガラス状態よりも高配位数のSiが多く存在し，シリカにおける永久高密度化ガラスに似た構造的特徴を有していることがわかった．
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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
ANNポテンシャルを用いたクォーツ結晶の弾性波衝撃圧縮のMDシミュレーションに関する成果をまとめた論文が出版に至ったことに加え，学習法を改良することで弾-塑性遷移挙動を再現することに成功するなど，当初の計画を順調に達成している．
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| Strategy for Future Research Activity |
ANNポテンシャルを用いた衝撃圧縮挙動のシミュレーションの精度改善のため，学習パラメータの詳細な検討を行う．また，ANNポテンシャルを大規模系へ適用し，第一原理電子状態計算を組み合わせた物性解析を実施する予定である．加えて，固体材料のせん断変形挙動の第一原理分子動力学シミュレーションなど，他の非平衡過程に関連する研究を展開する予定である．
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| Causes of Carryover |
次年度使用額が生じた理由：新型コロナウイルス感染拡大の影響を受け，外部機関を訪問しての研究打ち合わせが実施できなかったことに加え，当初出席を予定していた国内学会・国際会議等がすべてオンライン開催となったため．
使用計画：当初の予定よりも計算リソースを増やし，研究の進展速度の向上を図る．
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