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2021 Fiscal Year Annual Research Report

機能性ナノ構造物質における非断熱・非平衡現象の第一原理的解明

Research Project

Project/Area Number 21H01766
Allocation TypeSingle-year Grants
Research InstitutionKumamoto University

Principal Investigator

下條 冬樹  熊本大学, 大学院先端科学研究部(理), 教授 (60253027)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 高良 明英  熊本大学, 技術部, 技術専門職員 (70537092)
島村 孝平  熊本大学, 大学院先端科学研究部(理), 助教 (60772647)
Project Period (FY) 2021-04-01 – 2025-03-31
Keywords構造不規則系 / 非断熱・非平衡現象 / 第一原理計算 / 分子動力学法 / 機械学習 / 計算物理
Outline of Annual Research Achievements

各種計算物理学的手法を駆使して、構造不規則凝縮系における光誘起相転移、励起子ダイナミクス、エネルギー輸送、構造変形・回復機構等の微視的機構を明らかにすることを目的として研究を実施している。まず、強誘電物質中での低エネルギー障壁機構による非断熱・非平衡現象に注目した。具体的には、強誘電体PbTiO3と常誘電体SrTiO3を層状に積層した系に対して、第一原理計算の結果を機械学習させて光励起の影響を力場に取り込むことにより大規模分子動力学シミュレーションを実行した。その結果、光励起による位相幾何学的な分極秩序(スキルミオン)出現のダイナミクスを再現することに成功した。光励起による各種デバイス制御への応用に資する成果である。
銀カルコゲナイドは熱電性能に優れた材料であり、その熱伝導度の温度依存性を解明することは、熱整流素子への応用を図る上で重要である。人工ニューラルネットワークを用いた機械学習力場を用いて、熱流を計算する際の厳密な表式を導出し、第一原理計算に匹敵する高精度で格子熱伝導度を理論的に計算する手法を確立した。これにより、格子熱伝導度の温度依存性を定量的に再現した。
硫化銀は室温において金属と同程度の延性を示し、イオウをセレンで60%程度置換しても延性は維持されることが知られている。様々な組成に対し室温でせん断変形シミュレーションを第一原理的に行い、構造回復の様子を調べ、延性発現の機構を解明した。この知見は、フレキシブルなデバイス応用を考える際に有用である。
その他、光励起によるダイアモンドのグラファイト化機構、酸化チタンナノシートと金属電極間の界面特性、層状アルミナの誘電率の膜厚依存性、アルカリ金属混合系の融点の組成依存性等の解明のための研究にも着手した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

各研究テーマに対して第一原理計算、機械学習力場による分子動力学計算等を実行し、その結果から多くの知見を得ており、研究進捗状況は概ね順調である。機械学習力場を用いた熱流計算においては、当初、圧力テンソルを機械学習する必要性があることは想定していなかったが、これを行うことにより熱伝導度計算の精度を飛躍的に向上させることができた。圧力学習の重要性は固液相転移を機械学習力場で再現する上でも重要であることも示した。また、硫化銀の延性発現機構に関しては、当初は、単斜晶系の層構造が構造回復に重要な役割を果たすという予想であったが、回復の機構は層構造とは無関係であり、全く新しい機構で構造回復が起こることを明らかにすることができた。

Strategy for Future Research Activity

層状PbTiO3/SrTiO3系に対してはほぼ当初の目的は達成しているが、SrTiO3を古典モデルで扱っている点が不十分であるので、今後第一原理計算の結果を機械学習させた力場を応用したい。銀カルコゲナイドの格子熱伝導度計算においては、各種成分分析やスペクトル解析による熱伝導度の精密解析を行い、格子熱伝導機構の解明に取り組む。更に、機械学習力場を、温度勾配を与えた大規模非平衡分子動力学計算に応用し、異なる相が存在する場合の格子熱伝導機構の探求へ展開したい。また、銀カルコゲナイドのせん断変形シミュレーションにおいても、より現実的な構造回復機構を探るために、機械学習力場を用いた大規模分子動力学シミュレーションへ取り組む予定である。

  • Research Products

    (37 results)

All 2022 2021 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (9 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Peer Reviewed: 8 results,  Open Access: 1 results) Presentation (27 results) (of which Int'l Joint Research: 6 results,  Invited: 1 results)

  • [Int'l Joint Research] 南カリフォルニア大学(米国)

    • Country Name
      U.S.A.
    • Counterpart Institution
      南カリフォルニア大学
  • [Journal Article] Importance of Adjusting Coefficients in Cost Function for Construction of High-Accuracy Machine-Learning Interatomic Potential2022

    • Author(s)
      Irie Ayu、Shimamura Kohei、Koura Akihide、Shimojo Fuyuki
    • Journal Title

      Journal of the Physical Society of Japan

      Volume: 91 Pages: 045002 (2 pp.)

    • DOI

      10.7566/JPSJ.91.045002

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Exploring far-from-equilibrium ultrafast polarization control in ferroelectric oxides with excited-state neural network quantum molecular dynamics2022

    • Author(s)
      Linker Thomas、Nomura Ken-ichi、Aditya Anikeya、Fukshima Shogo、Kalia Rajiv K.、Krishnamoorthy Aravind、Nakano Aiichiro、Rajak Pankaj、Shimmura Kohei、Shimojo Fuyuki、Vashishta Priya
    • Journal Title

      Science Advances

      Volume: 8 Pages: eabk2625

    • DOI

      10.1126/sciadv.abk2625

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Dielectric Constant of Liquid Water Determined with Neural Network Quantum Molecular Dynamics2021

    • Author(s)
      Krishnamoorthy Aravind、Nomura Ken-ichi、Baradwaj Nitish、Shimamura Kohei、Rajak Pankaj、Mishra Ankit、Fukushima Shogo、Shimojo Fuyuki、Kalia Rajiv、Nakano Aiichiro、Vashishta Priya
    • Journal Title

      Physical Review Letters

      Volume: 126 Pages: 216403 (7 pp.)

    • DOI

      10.1103/PhysRevLett.126.216403

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Estimating thermal conductivity of α-Ag2Se using ANN potential with Chebyshev descriptor2021

    • Author(s)
      Shimamura Kohei、Takeshita Yusuke、Fukushima Shogo、Koura Akihide、Shimojo Fuyuki
    • Journal Title

      Chemical Physics Letters

      Volume: 778 Pages: 138748 (7 pp.)

    • DOI

      10.1016/j.cplett.2021.138748

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Neural Network Quantum Molecular Dynamics, Intermediate Range Order in GeSe2, and Neutron Scattering Experiments2021

    • Author(s)
      Rajak Pankaj、Baradwaj Nitish、Nomura Ken-ichi、Krishnamoorthy Aravind、Rino Jose P.、Shimamura Kohei、Fukushima Shogo、Shimojo Fuyuki、Kalia Rajiv、Nakano Aiichiro、Vashishta Priya
    • Journal Title

      The Journal of Physical Chemistry Letters

      Volume: 12 Pages: 6020~6028

    • DOI

      10.1021/acs.jpclett.1c01272

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Reproduction of Melting and Crystallization of Sodium by Machine-Learning Interatomic Potential Based on Artificial Neural Networks2021

    • Author(s)
      Irie Ayu、Fukushima Shogo、Koura Akihide、Shimamura Kohei、Shimojo Fuyuki
    • Journal Title

      Journal of the Physical Society of Japan

      Volume: 90 Pages: 094603 (7 pp.)

    • DOI

      10.7566/JPSJ.90.094603

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Deep Well Trapping of Hot Carriers in a Hexagonal Boron Nitride Coating of Polymer Dielectrics2021

    • Author(s)
      Linker Thomas、Wang Yifei、Mishra Ankit、Kamal Deepak、Cao Yang、Kalia Rajiv K.、Nakano Aiichiro、Ramprasad Rampi、Shimojo Fuyuki、Sotzing Gregory、Vashishta Priya
    • Journal Title

      ACS Applied Materials & Interfaces

      Volume: 13 Pages: 60393~60400

    • DOI

      10.1021/acsami.1c14587

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] 第一原理計算と機械学習による固体材料における衝撃圧縮特性の分子動力学解析2021

    • Author(s)
      三澤賢明,島村孝平,下條冬樹
    • Journal Title

      日本セラミックス協会協会誌「セラミックス」

      Volume: 56 Pages: 674~677

  • [Journal Article] 第一原理計算と機械学習に基づく衝撃圧縮挙動の分子動力学計算2021

    • Author(s)
      三澤賢明,島村孝平,下條冬樹
    • Journal Title

      高圧力の科学と技術

      Volume: 31 Pages: 132~139

    • DOI

      10.4131/jshpreview.31.132

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] A型ゼオライトのNa$^{+}$イオン伝導性に及ぼす含水量の影響2022

    • Author(s)
      井上翔大,永井杏奈,高良明秀,下條冬樹,松田元秀
    • Organizer
      第60回セラミックス基礎科学討論会
  • [Presentation] 水分子挿入に伴うヨウ化鉛メチルアンモニウムの構造劣化に関する分子動力学解析2022

    • Author(s)
      三澤賢明,大村訓史,下條冬樹,鶴田健二
    • Organizer
      日本物理学会第77回年次大会
  • [Presentation] 第一原理分子動力学法に基づく熱力学積分を用いたアルカリ金属混合系の融点の組成依存性IV2022

    • Author(s)
      入江鮎,高良明英,島村孝平,下條冬樹
    • Organizer
      日本物理学会第77回年次大会
  • [Presentation] 熱伝導度計算に有効な人工ニューラルネットワークに基づく原子間ポテンシャル構築方法の検討IV2022

    • Author(s)
      島村孝平,竹下雄輔,福島省吾,高良明英,下條冬樹
    • Organizer
      日本物理学会第77回年次大会
  • [Presentation] 人工ニューラルネットワーク原子間ポテンシャルを用いた液体Ag$_2$Seの構造II2022

    • Author(s)
      高良明英,竹下雄輔,島村孝平,下條冬樹
    • Organizer
      日本物理学会第77回年次大会
  • [Presentation] 第一原理分子動力学法による液体鉄―軽元素混合系の高圧下における構造と結合状態2022

    • Author(s)
      大村訓史,下條冬樹,土屋卓久
    • Organizer
      日本物理学会第77回年次大会
  • [Presentation] 第一原理分子動力学法によるせん断応力下におけるAg$_2$S$_{1-x}$Se$_x$の構造回復機構III2022

    • Author(s)
      法橋陽,三澤賢明,高良明英,島村孝平,下條冬樹
    • Organizer
      日本物理学会第77回年次大会
  • [Presentation] 第一原理計算による金属TiO$_2$界面の構造と電子状態の研究2022

    • Author(s)
      秋好佑亮,吉次大地,高良明英,島村孝平,原正大,船津麻美,下條冬樹
    • Organizer
      日本物理学会第77回年次大会
  • [Presentation] Molecular Dynamics Simulation of Shock-Induced Structural Transformation of Silica Using Artificial Neural Network2021

    • Author(s)
      三澤賢明、島村孝平、下條冬樹
    • Organizer
      日本地球惑星科学連合2021年大会
    • Invited
  • [Presentation] Ex-NNQMD: Extreme-Scale Neural Network Quantum Molecular Dynamics2021

    • Author(s)
      P. Rajak, T. Linker, K. Nomura, A. Aditya, K. Liu, K. Shimamura, S. Fukushima, Y. Luo, F. Shimojo, R. K. Kalia, A. Nakano, and P. Vashishta
    • Organizer
      Scalable Deep Learning over Parallel And Distributed Infrastructures (ScaDL 2021)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Neural network quantum molecular dynamics (NNQMD) for water and covalent glasses2021

    • Author(s)
      P. Vashishta, A. Krishnamoorthy, K. Nomura, N. Baradwa, S. Fukushima, R. K. Kalia, A. Mishra, A. Nakano, P. Rajak, J. P. Rino, K. Shimamura, F. Shimojo
    • Organizer
      ACS Fall 2021 meeting
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Phase transition of Rb-Na alloy based on the first principles molecular dynamics2021

    • Author(s)
      A. Irie, A. Koura, K. Shimamura, and F. Shimojo
    • Organizer
      The 16th International Student Conference on Advanced Science and Technology(ICAST 2021)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Size-Dependent Melting Temperature of Rubidium: Thermodynamic IntegrationBased on First-principles Calculations2021

    • Author(s)
      S. Fukushima, H. Kumazoe, A. Koura, F. Shimojo, K. Shimamura, M. Misawa, R. K. Kalia, A. Nakano, and P. Vashishta
    • Organizer
      American Physical Society (APS) March Meeting 2022
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Opto-Electro-Mechanical control of Ferroelectric Topological Structures forUltralow Power Topotronic Devices using Hybrid Neural Network QuantumMolecular Dynamics and Molecular Mechanics Simulations2021

    • Author(s)
      T. Linker, K. Nomura, S. Fukushima, R. K. Kalia, A. Krishnamoorthy, A. Nakano, K. Shimamura, F. Shimojo, and P. Vashishta
    • Organizer
      American Physical Society (APS) March Meeting 2022
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Asymmetric Carrier Transport in Two-Dimensional Ferroelectric Layers2021

    • Author(s)
      R. Ma, A. Aditya, T. Linker, S. Fukushima, F. Shimojo, A. Nakano, R. K. Kalia, and P. Vashishta
    • Organizer
      American Physical Society (APS) March Meeting 2022
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Molecular Dynamics Simulation of Shock-Induced Structural Transformation of Silica Using Artificial Neural Network2021

    • Author(s)
      Masaaki Misawa,Kohei Shimamura,Fuyuki Shimojo
    • Organizer
      日本地球惑星科学連合2021年大会(JpGU2021)
  • [Presentation] 第一原理分子動力学法に基づく熱力学積分を用いたアルカリ金属混合系の融点の組成依存性III2021

    • Author(s)
      入江鮎,福島省吾,高良明英,島村孝平,下條冬樹
    • Organizer
      日本物理学会2021年秋季大会
  • [Presentation] 人工ニューラルネットワークに基づいた原子間ポテンシャルによるAg2S1-x$Sexの構造の再現2021

    • Author(s)
      福島省吾,法橋陽,竹下雄輔,島村孝平,高良明英,下條冬樹,A. Nakano,R. K. Kalia,P. Vashishta
    • Organizer
      日本物理学会2021年秋季大会
  • [Presentation] 第一原理計算に基づく薄膜アルミナの比誘電率の膜厚依存性II2021

    • Author(s)
      福島省吾,熊添博之,S. Tiwari,島村孝平,高良明英,下條冬樹,A. Nakano,R. K. Kalia,P. Vashishta
    • Organizer
      日本物理学会2021年秋季大会
  • [Presentation] 人工ニューラルネットワーク原子間ポテンシャルを用いた液体Ag2Seの構造2021

    • Author(s)
      高良明英,竹下雄輔,島村孝平,下條冬樹
    • Organizer
      日本物理学会2021年秋季大会
  • [Presentation] 人工ニューラルネットワークに基づく銀カルコゲナイドの原子間ポテンシャルの構築と熱伝導度計算への応用III2021

    • Author(s)
      竹下雄輔,福島省吾,島村孝平,高良明英,下條冬樹
    • Organizer
      日本物理学会2021年秋季大会
  • [Presentation] 第一原理分子動力学法に基づく熱力学積分を用いた炭素の融点の圧力依存性II2021

    • Author(s)
      稲葉紗也香,福島省吾,島村孝平,高良明英,下條冬樹
    • Organizer
      日本物理学会2021年秋季大会
  • [Presentation] 衝撃圧縮下におけるシリカの弾性および塑性変形に適用可能な人工ニューラルネットワーク原子間ポテンシャルの構築2021

    • Author(s)
      三澤賢明,福島省吾,高良明英,島村孝平,下條冬樹
    • Organizer
      日本物理学会2021年秋季大会
  • [Presentation] 第一原理分子動力学法によるせん断応力下におけるAg$_2$S$_{1-x}$Se$_x$の構造回復機構II2021

    • Author(s)
      法橋陽,福島省吾,三澤賢明,高良明英,島村孝平,下條冬樹
    • Organizer
      日本物理学会2021年秋季大会
  • [Presentation] 熱伝導度計算に有効な人工ニューラルネットワークに基づく原子間ポテンシャル構築方法の検討III2021

    • Author(s)
      島村孝平,竹下雄輔,福島省吾,高良明英,下條冬樹
    • Organizer
      日本物理学会2021年秋季大会
  • [Presentation] 第一原理分子動力学計算に基づく有機分子のチタニアナノシートへの吸着過程2021

    • Author(s)
      吉次大地,福島省吾,高良明英,島村孝平,原正大,船津麻美,下條冬樹
    • Organizer
      日本物理学会2021年秋季大会
  • [Presentation] ケイ酸液体の超高圧物性2021

    • Author(s)
      大村訓史,下條冬樹
    • Organizer
      日本物理学会2021年秋季大会

URL: 

Published: 2022-12-28  

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