| 研究課題/領域番号 |
24K02950
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| 研究種目 |
基盤研究(B)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分60100:計算科学関連
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| 研究機関 | 金沢大学 |
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研究代表者 |
山口 直也 金沢大学, ナノマテリアル研究所, 助教 (70868116)
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| 研究分担者 |
見波 将 京都大学, 工学研究科, 助教 (10876840)
石井 史之 金沢大学, ナノマテリアル研究所, 教授 (20432122)
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| 研究期間 (年度) |
2024-04-01 – 2029-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2024年度)
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| 配分額 *注記 |
18,590千円 (直接経費: 14,300千円、間接経費: 4,290千円)
2028年度: 2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円)
2027年度: 2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円)
2026年度: 2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円)
2025年度: 2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円)
2024年度: 6,630千円 (直接経費: 5,100千円、間接経費: 1,530千円)
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| キーワード | ベリー位相 / 異常ホール伝導度 / 縮退点 / 電子バンド / バンドの折り畳み / 異常ネルンスト効果 / ハイブリッドWannier関数 / 層分解 / 第一原理電子状態計算 / エネルギー材料 / 電場 / 高速化 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
本研究では、材料の電子状態の予測・解析に必要な電子状態計算における高速なベリー位相計算手法を開発し、その手法をエネルギー変換材料に適用する。まずベリー位相計算手法の開発・高度化を行う。さらに応用計算により得られたデータから、材料設計指針を提案する。広範な物質群に対して応用計算を行うことで、高速化手法の汎用性能の検証を行うと同時に、異常ネルンスト効果（熱電変換）、シフト電流（光電変換）、スピン流-電流変換、マルチフェロイクス等の次世代エネルギー変換機構に特化した材料物性データを得る。電場印加計算コードの高速化を行い、電場下の材料物性も調べる。
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| 研究実績の概要 |
内因性異常ホール伝導度の計算手法・プログラム開発の更なる高度化を実施した。具体的には新たなアルゴリズムや数値計算手法を検討し、計算の効率性と精度の両面で改善を図った。複雑な材料系、特に欠陥や不純物の存在により、完全結晶とは異なるがそれに極めて近い系では、電子バンド構造の折り畳みにより縮退点を多発することで、内因性異常ホール伝導度を得るには完全結晶に比して多数の波数サンプリングが必要となる計算上の困難がある。この困難を克服する新規計算手法開発を、我々が独自に開発する、異常ホール効果および異常ネルンスト効果の計算のための局所ベリー位相の方法を発展させることで進めた。波数空間（第一ブリルアンゾーン）におけるバンドの折り畳みにより縮退点が存在する場合でも、隣接波数点間でのブロッホ関数の重なり行列の性質を調べ、適切な小行列式を提供することで計算するアルゴリズムに変更することで異常ホール伝導度が適切に評価できることを確認した。実際、まず、面心立方格子構造の鉄のプリミティブセルモデル、コンベンショナルセルモデル、及び4原子超格子モデルで得られた結果における異常ホール伝導度の振動の程度が同等であり、超格子形成による誤差として現れる異常ホール伝導度の振動が抑制される結果を得た。さらに様々な超格子系で、同様に数値不安定性が解消されることを確認したことから、多数の波数サンプリングが不要な頑健性の高い計算手法の開発に成功したといえる。ここで開発した計算コードは大規模な系、すなわち、複雑な材料への適用が可能になると期待される。
加えて、局所ベリー位相法とハイブリッドWannier関数法を組み合わせた、異常ホール伝導度の層ごとの寄与を解析するための計算手法の開発を進めてきた。様々な系で応用計算を実施し、磁性トポロジカル絶縁体や磁性金属薄膜における層ごとの異常ホール伝導度の寄与を解析できることを確認した。
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| 現在までの達成度 |
現在までの達成度
2: おおむね順調に進展している
理由
異常ネルンスト効果（熱電変換）の計算コードについて、我々が独自に開発する、異常ホール効果および異常ネルンスト効果の計算のための局所ベリー位相の方法には縮退点に起因する数値不安定性の問題があった。この数値不安定性の問題を解決する新たなアルゴリズムや数値計算手法を検討し、計算の効率性と精度の両面での改良に成功したため。
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| 今後の研究の推進方策 |
異常ネルンスト効果（熱電変換）の計算コードについて、縮退点に適応した計算手法を欠陥や不純物を有する計算モデルに適用して検証するとともに、欠陥や不純物が異常ネルンスト効果に与える影響を調べる。
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