地球内核条件下における金属鉄の第一原理電子輸送特性シミュレーション

2015 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 26800273
• Research Institution: Ehime University
• Principal Investigator: 出倉 春彦 愛媛大学, 地球深部ダイナミクス研究センター, 助教 (90700146)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: 地球核 / 金属の電気・熱伝導度 / 電子-フォノン相互作用 / 第一原理計算 / 密度汎関数理論

Outline of Annual Research Achievements

固体地球惑星内部の熱的進化過程を理解するためには，惑星を構成する物質の熱輸送特性を高精度に決定することが欠かせない。地球核は鉄を主成分とした合金で構成されていると考えられている。金属の主要な熱輸送機構である電子輸送を評価するために鍵となる物理量は電子-フォノン散乱強度である。本年度は，地球内核の主要構成鉱物と考えられているhcp型鉄に対して，密度汎関数理論(DFT)及び密度汎関数摂動論(DFPT)に基づく第一原理電子-フォノン相互作用計算を行い，マルチメガバール条件下における総電子-フォノン散乱強度を決定した。前年度で得られた電子構造，フェルミ速度，そして結晶構造のデータを用いて，hcp型鉄の電子-フォノン散乱由来の電気抵抗率を地球中心核圧力条件下(およそ300万気圧)で第一原理的に決定することができた。

Current Status of Research Progress

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

Reason

固体金属の高温高圧下における電子輸送特性を精度良く決定するためには，いくつもの段階的な計算過程を経る必要がある。前年度では電子状態ならびにフォノン状態を決定し，本年度ではそれら二つの系間の相互作用を評価できた。種々の合理的な仮定に基づけば，固体金属鉄の地球核条件下における電気抵抗率を理論的に見積もることができる段階に到達した。

Strategy for Future Research Activity

電子輸送特性の計算を遂行するにあたり，さまざまな近似的な取り扱いを理論・数値計算の両面において行ってきた。それらの多くは物理的に十分妥当であると思われるが，地球中心核の温度はおよそ7000度まで到達すると考えられおり，本研究でこれまで考慮してこなかった物理機構が生まれる可能性がある。その一つは，hcp型構造の結晶軸の非調和性が加温に伴い大きくなる点である。最終年度となる次年度では，この効果を電子構造，フォノン，そして電子-フォノン相互作用に取り入れることで，より現実的な電気抵抗率モデルを構築する予定である。また，超高温下において他に検討すべきこととして，電子-電子散乱，電子-フォノン相互作用の温度依存性(非調和性)，そして電子-フォノン多重散乱(高次摂動)などが挙げられる。これらの物理機構の理論的な検証を行い，今後の研究の方向性を具体的に探る予定である。

Causes of Carryover

本計画研究の進展に伴い，研究計画を若干見直し，再調整し，科学研究費補助事業を一年伸ばしたため。

Expenditure Plan for Carryover Budget

物品費ならびに学会参加・研究打ち合わせのための旅費に充てる。