Development of methods for analyzing anharmonic phonons and their application to structure searches in dense hydrogen and hydrides

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 21K03437
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 13030:Magnetism, superconductivity and strongly correlated systems-related
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: Abe Kazutaka 東北大学, 電気通信研究所, 准教授 (00361197)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 非調和格子振動 / 水素および水素化合物 / 高圧 / 第一原理計算

Outline of Final Research Achievements

Ab initio methods to analyze anharmonic phonons are developed by using the self-consistent harmonic approximation and applied to the investigation of structures of dense atomic hydrogen. The analysis shows that hydrogen is transformed into an isotropic phase at 3.5 TPa, where five isotropic structures are quite competing with close enthalpies owing to the anharmonic effects. Also, anharmonicity is found to stabilize the bcc structure dynamically at 5.8 TPa although it is unstable up to 233 TPa in the harmonic approximation. The findings suggest the importance of anharmonicity in discussing the phase diagram of dense hydrogen.

Free Research Field

物性理論

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

水素を含む系を理論的に扱うのは意外に難しく、それは主に陽子の量子性に由来する。このため水素、水素化合物の物性予測では、量子性を調和近似の範囲に留めるか、または非調和性を含めた大規模解析を限られた構造に対して行うかのどちらかであった。本研究ではこの量子性を、非調和効果も含めて簡便に扱う手続きを提示している。水素化合物は、最近では高温超伝導体としての可能性から注目されている。また水素吸蔵合金は、燃料電池との関連から活発に調べられている。水、有機物など、水素を含む系は豊富で身近でもある。本研究成果は、これら多様な物質と関連するものであり、その適用範囲は広範囲に及ぶと期待できる。