実験を参照せず物質の準安定構造を探索するシミュレーション法の開発

• 研究課題/領域番号: 20K20895
• 研究種目: 挑戦的研究(萌芽)
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 中区分13:物性物理学およびその関連分野
• 研究機関: 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構 (2022); 東京大学 (2020-2021)
• 研究代表者: 明石 遼介 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 高崎量子応用研究所 量子機能創製研究センター, 主任研究員 (40734356)
• 研究期間 (年度): 2020-07-30 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 5,720千円 (直接経費: 4,400千円、間接経費: 1,320千円); 2022年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2021年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2020年度: 3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円)
• キーワード: 第一原理計算 / 結晶構造探索 / 準安定状態 / 超伝導

研究開始時の研究の概要

現実世界で利用されている固体材料は熱力学的に安定なものとは限らない。よく知られた例がダイヤモンドである。固体の準安定構造は安定構造とは似ても似つかない電子特性・構造特性を持つ可能性があり、物質開発の舞台として大きな可能性を秘めているが、実験を参照せずにこれを探索する方法は未整備である。本計画では固体の準安定状態が実際に合成できるかをシミュレートする方法を開発する。特に準安定構造が崩壊する寿命・準安定構造間を移り変わる反応パス・準安定構造の自由エネルギーを計算するアルゴリズムおよびコード開発を行う。

研究成果の概要

人間が利用可能な材料は原則低いエネルギーを持つ．しかしエネルギーが最低でない準安定状態の材料も現存する．後者を探索するには，必ずしもエネルギーが低くない状態への遷移を記述できるシミュレーション法が必要である．本研究課題では準安定状態への遷移を少数の変数で表す研究を行なった．主要な成果として，実際にエネルギー曲面上で準安定状態間を繋ぐ軌道と対応する一般的座標を定式化し，これを用いて，本来シミュレーションでは稀にしか起こらない遷移を効率的に発生させる基礎的実証に成功した．また，実験から報告された準安定材料に応用できる電子状態理論についても開発を進めた．

研究成果の学術的意義や社会的意義

準安定構造への遷移は物質シミュレーションの時間スケール(~ナノ秒)では極めて稀にしか発生しない．これを引き起こすために様々な手法が開発されてきたが，それらは概ね人間の直観に基づき特定の構造変化に恣意的重み付けを付けるものである．本成果はポテンシャル曲面の性質のみ参照し，人間の直観が入らない非経験的準安定構造探索への発展の道筋を拓く．またシミュレーションで発見された未発見構造がどのような電子的性質をもたらすかについても本課題により新たな理論的知見が得られた．これらの成果は人間が応用できる新たな材料を探索する上で有用な基礎をなす．

研究成果

• [国際共同研究] Skolkovo Inst. Sci. Tech./Shubnikov Inst. Crystallogr./Dukhov Research Institute of Automatics(ロシア連邦)
• [国際共同研究] ID15B High Pressure Diffraction Beamline(フランス)
• [国際共同研究] Deutsches Elektronen-Synchrotron(ドイツ)
• [雑誌論文] Revisiting homogeneous electron gas in pursuit of properly normed <i>ab initio</i> Eliashberg theory (2022)
  • 著者名/発表者名: Ryosuke Akashi
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 105 号: 10
  • DOI: 10.1103/physrevb.105.104510
  • 査読あり
• [雑誌論文] Superconductivity at 253K in lanthanum-yttrium ternary hydrides (2021)
  • 著者名/発表者名: D. V. Semenok, I. A. Troyan, A. G. Ivanova, A. G. Kvashnin, I. A. Kruglov, M. Hanfland, A. V. Sadakov, O. A. Sobolevskiy, K. S. Pervakov, I. S. Lyubutin, K. V. Glazyrin, N. Giordano, D. N. Karimov, A. L. Vasiliev, R. Akashi, V. M. Pudalov, A. R. Oganov
  • 雑誌名: Materials Today 巻: -
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Eliashberg theory in the uniform electron gas revisited (2023)
  • 著者名/発表者名: Ryosuke Akashi
  • 学会等名: APS March Meeting 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Development of density functional theory for superconductors: recent progress (2022)
  • 著者名/発表者名: Ryosuke Akashi
  • 学会等名: YITP Workshop "Fundamentals in density functional theory"
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Eliashberg theory in the uniform electron gas revisited (2022)
  • 著者名/発表者名: Ryosuke Akashi
  • 学会等名: Challenges in Designing Room Temperature Superconductivity 2022(CDRTS2022)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 高度電子状態計算における一様ガス極限 (2022)
  • 著者名/発表者名: 明石遼介
  • 学会等名: 物性研究所スパコン共同利用・CCMS合同研究会「計算物質科学の新展開2022」
  • 招待講演
• [学会発表] Strictly constrained neural network exchange-correlation potentials (2022)
  • 著者名/発表者名: Ryosuke Akashi
  • 学会等名: Psi-k Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Machine-learning exchange-correlation potentials (2022)
  • 著者名/発表者名: Ryosuke Akashi
  • 学会等名: Mean-field and cluster dynamics in nuclear systems 2022(MCD2022)
  • 国際学会 / 招待講演