非断熱性を取り入れた原子価結合局在電子波束法による動的化学結合理論

Research Project

Project/Area Number	19K22173
Research Category	Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
Allocation Type	Multi-year Fund
Review Section	Medium-sized Section 32:Physical chemistry, functional solid state chemistry, and related fields
Research Institution	Tokyo Woman's Christian University
Principal Investigator	安藤耕司東京女子大学, 現代教養学部, 教授 (90281641)
Project Period (FY)	2019-06-28 – 2022-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2019)
Budget Amount *help	¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000) Fiscal Year 2021: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000) Fiscal Year 2020: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000) Fiscal Year 2019: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000)
Keywords	電子ダイナミクス / 強光子場 / 高次高調波発生 / 動的化学結合理論
Outline of Research at the Start	局在電子波束に立脚した新しい動的化学結合理論の確立を目指す。局在電子波束と原子価結合理論を組み合わせた独自の理論によって、分子内電子ダイナミクスを記述する手法の開発を進める。基礎理論の深化と共に、数値計算手法を効率化させて応用の可能性を広げる。原子核ダイナミクスの波束理論と組み合わせることにより、電子と原子核の非断熱結合と動的相関を記述する理論の構築を試みる。例えば、高強度レーザー場に誘起された電子ダイナミクス、金属クラスター中の水素拡散における電子とプロトンの非断熱的結合、液体水素などの量子液体における電子と軽原子の動的結合などへ応用する。
Outline of Annual Research Achievements	強いレーザーパルスによって誘起された水素化リチウム分子からの高次高調波発生スペクトルを、局在電子波束と原子価結合理論を組み合せた独自の新理論をもとに計算し解析した。原子価結合局在電子波束法は、電子運動のポテンシャル曲面を構築できる。これは、従来の非局在分子軌道法では基本的に不可能である。この電子ポテンシャル面を用いて量子ダイナミクスシミュレーションを実行し解析することによって、高次高調波発生スペクトルの分子的なメカニズムに関して、新しい概念と描像を得た。具体的には、次のような成果が得られた。水素化リチウムの二つの価電子の電子ポテンシャル面は、強い束縛と弱い束縛がある。弱く束縛された電子は主にリチウムの2s電子に帰属され、高次高調波スペクトルの第一ピークの起源となっており、分子全体のスペクトルに特徴的な平坦領域とカットオフには寄与しない。強く束縛された電子は水素の1s電子に帰属され、波動関数の概形は単純なガウス型を保つように見えるが、確率密度の0.1%がトンネル効果により滲み出し、10ナノメートル以上の空間領域まで拡散した後に、レーザー場の振動によって分子と再結合する。この成分が、50高調波に至る高次高調波発生の起源となっている。レーザー場の振動に誘起されたポテンシャル内での非線形ダイナミクスも、30高調波までの発生に寄与している。これらは、従来の3ステップモデルを補完し、より具体的で新しい微視的描像を提示している。また、原子価結合局在電子波束法のさらなる応用に向けて、従来の計算化学手法による生体系分子シミュレーション研究を進めた。具体的には、嗅覚受容体タンパク質と香り分子との相互作用について解析した。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 「研究実績の概要」欄の前半に示した研究について、原著論文1報が国際学術雑誌で出版された。また、生体系分子シミュレーションへの応用に向けた研究も、学会発表に至る程度の進展があった。
Strategy for Future Research Activity	原子核ダイナミクスを取り入れた計算を実行する。対称性の異なる分子について計算を実行し、対称性の影響を解析する。ボルン・オッペンハイマー近似を越えた理論を定式化する。生体系分子シミュレーションへの応用へ向けた手法開発を継続する。