2022 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
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21H01766
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Kumamoto University |
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Principal Investigator |
下條 冬樹 熊本大学, 大学院先端科学研究部(理), 教授 (60253027)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
島村 孝平 熊本大学, 大学院先端科学研究部(理), 助教 (60772647)
高良 明英 熊本大学, 技術部, 技術専門職員 (70537092)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| 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 |
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| 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非断熱・非平衡過程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。強誘電物質中での光励起による位相幾何学的な分極秩序（スキルミオン）に関連して、層状強誘電体PbTiO3／常誘電体SrTiO3系の機械学習原子間ポテンシャルによる大規模分子動力学シミュレーションを継続した。一軸圧縮と一様圧縮が、スキルミオンの出現ダイナミクスへ及ぼす影響を再現することに成功し、対称性の破れによるスキルミオンの消滅過程と対称性が保持されたままのトポロジーの変化過程を解明した。
銀カルコゲナイドに対しては、機械学習原子間ポテンシャルによる摂動分子動力学計算を実行し、熱流を計算する際の厳密な表式を用いて、セレン添加した硫化銀の格子熱伝導度の室温における組成依存性の実験結果を再現することに成功した。熱流の正則化を考慮して機械学習することにより、熱流学習における過学習を抑える理論手法を確立し、熱伝導度の各原子からの寄与への分解や熱伝導機構のスペクトル解析へ展開している。異なる相間の熱伝導機構を調べるために、大規模非平衡分子動力学計算へも着手した。
硫化銀に対する、室温での第一原理的せん断変形シミュレーションの結果を機械学習し、機械学習原子間ポテンシャルを作成した。大規模なせん断変形シミュレーションを実行し、現在までに約70万原子系のせん断変形下での構造回復過程を実現させている。これまでに、転位がない場合の構造回復機構の理解は完遂している。大規模系において現れる転位が構造回復に及ぼす影響について調査しているところである。
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の研究を継続し、グラフェンのプラズマエッチング過程、貴金属・ニッケル基盤上のグラフェンの析出過程の第一原理的研究に着手した。
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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
今年度も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。
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| Strategy for Future Research Activity |
層状PbTiO3/SrTiO3系に対して、SrTiO3を古典モデルで扱っている点は未だ改善されていないため、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ていきたい。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の理論的手法を確立できたため、セレン添加した硫化銀の格子熱伝導機構の温度・組成依存性の解明に取り組む。温度勾配を与えた大規模非平衡分子動力学計算には着手したところであり、今後パラメータ調整を施した後、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ていきたい。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は、機械学習力場を用いた大規模分子動力学計算において見られた転位の構造回復に及ぼす影響を調べる予定である。その際、大量の数値データを処理する必要があり、効率的な解析を行う上で課題となっているが、並列計算等を工夫して解決していきたい。
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