2023 Fiscal Year Annual Research Report
Development of methods for analyzing anharmonic phonons and their application to structure searches in dense hydrogen and hydrides
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21K03437
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
阿部 和多加 東北大学, 電気通信研究所, 准教授 (00361197)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 水素・水素化合物 / 非調和格子振動 / 高圧 / 第一原理計算 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
水素の分子解離を第一原理計算から議論する際、一般化勾配近似(GGA)では不十分とされている。ただこれが、さらに高圧の領域でも当てはまるかはよく分かっていなかった。本年度は van der Waals密度汎関数 (vdW-DF)を用いて、テラパスカル領域における水素の構造を、陽子の零点振動を含めて調べた。非調和格子振動の解析には、有効二体ポテンシャルによる self-consistent harmonic 近似（SCHA）を用いている。結果、現れる構造自体はGGAとvdW-DFで大きな違いはなかったが、転移圧に明確な差が見られた。またSCHAからは構造の力学的安定性が判断できるが、vdW-DFを用いた場合、各構造の力学的安定領域も高圧側にシフトする傾向があった。実際fcc、bcc構造が力学的に安定化されるのは、GGAで1.5TPa、4.5TPaであったのに対し、vdW-DFでは4.0TPa、5.8TPaとなった。
研究期間全体をとおしては、二体ポテンシャル用SCHAコード、および多体ポテンシャル用 Stochastic SCHA (SSCHA)コードの開発を行ってきた。SCHAを水素に適用し、テラパスカル領域の相図に対する非調和零点振動の影響を明らかにした。とくに、調和近似では233TPaまで虚振動数フォノンをもつbcc構造が、非調和性を含めると5.8TPaで力学的に安定化されるとの結果は、SCHAの有効性を示している。より低圧側（数百ギガパスカル領域）では、二体ポテンシャルでの記述が不正確になってくる。信頼性の高い三体ポテンシャルの作成にはやや難が残り、数百ギガパスカル領域における水素、水素化合物への応用にはまだ至っていない。三体ポテンシャルの改良とともに、第一原理計算で求めたエネルギーを直接使用するSSCHAへの移行が今後の課題といえる。
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