高位電子励起状態の高精度計算に向けた電子論の開発と光化学分子への応用

• 研究領域: 高次複合光応答分子システムの開拓と学理の構築
• 研究課題/領域番号: 15H01097
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 理工系
• 研究機関: 分子科学研究所
• 研究代表者: 柳井 毅 分子科学研究所, 理論・計算分子科学研究領域, 准教授 (00462200)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2017-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2016年度)
• 配分額: 5,070千円 (直接経費: 3,900千円、間接経費: 1,170千円); 2016年度: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円); 2015年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円)
• キーワード: 理論化学 / 電子相関 / 光化学 / フォトクロミズム / 励起状態 / ラジカル

研究実績の概要

研究実績は主に２つにある。（１）密度行列繰り込み群（ＤＭＲＧ）と呼ばれる電子状態理論を基盤として、高位励起状態に対する高精度な理論的記述を可能とする方法論および計算法の開発を行い、高性能プログラムを完成させた。（２）その手法を用いて、領域内研究者と協力して、種々のフォトクロミック化合物（ジアリールエテン誘導体等）の励起状態に対する計算を行った。
（１）では、電子励起状態の波動関数を高精度に求める理論のフレームワークとして、多参照理論に基づく電子状態理論DMRG-XMS-CASPT2法を開発した。多参照理論では、波動関数は複数の電子配置の量子的重ね合わせとして記述される。ＣＡＳＰＴ２法は広く用いられている高精度多参照理論であり、計算効率もよく大きな系への適用が期待される。本研究では、このＣＡＳＰＴ２法を複数の励起状態を効率よく数値的安定に求めることが可能な拡張理論ＸＭＳ－ＣＡＳＰＴ２法の実装を行い、ＤＭＲＧ波動関数を参照関数とする組み合わせを実現した。
（２）本手法を用いて、種々のフォトクロミック化合物（ジアリールエテン誘導体等）の励起状態に対する応用計算を行った。応用計算では、領域内の研究者と共同研究を実施した。Ａ０３グループの阿部教授らは近年フェノキシル-イミダゾールラジカル化合物(PIC)およびペンタアリルビイミダゾール（ＰＡＢＩ）のフォトクロミック分子の開発報告した。本研究では、ＰＩＣおよびＰＡＢＩのフォトクロミック分子の機構に関する理論研究を行った。高速分光により反応機構の解明に関する研究は行われてきたが、フォトクロミックの開環反応の具体的反応機構、電子論的理解は不十分であった。そこで本研究では、阿部グループ（Ａ０３）および重田グループ（Ａ０１）との共同で、高精度電子状態理論に基づく理論解析を行った。

現在までの達成度 (段落)

28年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

28年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] ノースウエスタン大学(米国)
• [国際共同研究] 有機化学生物化学研究所(チェコ)
• [雑誌論文] Influence of the choice of projection manifolds in the CASPT2 implementation (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Yanai, Y. Kurashige, M. Saitow, J. Chalupsky, R. Lindh, P.-A. Malmqvist
  • 雑誌名: Mol. Phys. 巻: 印刷中 号: 17-18 ページ: 2077-2085
  • DOI: 10.1080/00268976.2016.1271152
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Triplet-triplet Annihilation Process of 9,10-diphenylanthracene in solution (2017)
  • 著者名/発表者名: R. Sato, H. Kioth-Nishioka, T. Yanai, Y. Shigeta
  • 雑誌名: Chem. Lett. 巻: 印刷中 号: 6 ページ: 873-875
  • DOI: 10.1246/cl.170161
  • NAID: 130005689352
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Hyperfine Coupling Constants from Internally Contracted Multireference Perturbation Theory (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Shiozaki, and T. Yanai
  • 雑誌名: J. Comp. Theo. Chem. 巻: 12 号: 9 ページ: 4347-4351
  • DOI: 10.1021/acs.jctc.6b00646
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Computational Evidence of Inversion of 1La and 1Lb-Derived Excited States in Naphthalene Excimer Formation from ab Initio Multireference Theory with Large Active Space: DMRG-CASPT2 Study (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Shirai, Y. Kurashige, and T. Yanai
  • 雑誌名: J. Chem. Theo. Comp. 巻: - 号: 5 ページ: 2366-2372
  • DOI: 10.1021/acs.jctc.6b00210
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] MADNESS: A Multiresolution, Adaptive Numerical Environment for Scientific Simulation (2016)
  • 著者名/発表者名: R. Harrison, G. Beylkin, F. Bischoff, J. Calvin, G. Fann, J. Fosso-Tande, D. Galindo, J. Hammond, R. Hartman-Baker, J. Hill, J. Jia, J. Kottmann, M-J. Yvonne Ou, L. Ratcliff, M. Reuter, A. Richie-Halford, N. Romero, H. Sekino, W. Shelton, A. Vazquez-Mayagoitia, N. Vence, T. Yanai, Y. Yokoi
  • 雑誌名: SIAM Journal on Scientific Computing 巻: 38 号: 5 ページ: S123-S142
  • DOI: 10.1137/15m1026171
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] A pentanuclear iron catalyst designed for water oxidation (2016)
  • 著者名/発表者名: Masaya Okamura, Mio Kondo, Reiko Kuga, Yuki Kurashige, Takeshi Yanai, Shinya Hayami, Vijayendran K. K. Praneeth, Masaki Yoshida, Ko Yoneda, Satoshi Kawata, and Shigeyuki Masaoka
  • 雑誌名: Nature 巻: 530 号: 7591 ページ: 465-468
  • DOI: 10.1038/nature16529
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Fully internally contracted multireference configuration interaction theory using density matrix renormalization group: A reduced-scaling implementation derived by computer-aided tensor factorization (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Saitow, Y. Kurashige, and T. Yanai
  • 雑誌名: J. Chem. Theo. Comp. 巻: 11 号: 11 ページ: 5120-5131
  • DOI: 10.1021/acs.jctc.5b00270
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] 密度行列繰り込み群を用いた量子化学計算 (2017)
  • 著者名/発表者名: 柳井 毅
  • 学会等名: 有機固体若手の会2017
  • 発表場所: 神奈川, 湯河原, ホテルあかね
  • 年月日: 2017-03-09
  • 招待講演
• [学会発表] Multireference theory based on density matrix renormalization group (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Yanai
  • 学会等名: Theory and Applications of Computational Chemistry 2016
  • 発表場所: Seattle, USA
  • 年月日: 2016-08-28
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] CASPT2 theory with DMRG reference wavefunction (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Yanai
  • 学会等名: The 8th Molecular Quantum Mechanics
  • 発表場所: Uppsala, Sweden
  • 年月日: 2016-06-26
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Recent progress in multireference dynamic correlation methods based on density matrix renormalization group (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Yanai
  • 学会等名: The 251th ACS meeting
  • 発表場所: San Diego, USA
  • 年月日: 2016-03-13
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Computational quantum chemistry with an efficient many-electron theory: Theory and applications (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Yanai
  • 学会等名: Pure and Applied Chemistry International Conference (PACCON2016)
  • 発表場所: Bangkok, Thailand
  • 年月日: 2016-02-09
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Quantum chemistry with density matrix renormalization group (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Yanai
  • 学会等名: The 75th Okazaki Conference Tensor Network States: Algorithms and Applications,
  • 発表場所: Okazaki, Aichi, Japan
  • 年月日: 2016-01-11
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 密度行列繰り込み群に基づく拡張多状態多参照擬縮重摂動理論 (2016)
  • 著者名/発表者名: 柳井 毅
  • 学会等名: 第10回 革新的量子化学シンポジウム
  • 発表場所: 京都府京都市, キャンパスプラザ京都
  • 招待講演
• [学会発表] Molecular electronic structure theory based on ab initio density matrix renormalization group (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Yanai
  • 学会等名: Tensor Networks and Quantum Many-Body Problems (TNQMP2016)
  • 発表場所: Institute for Solid State Physics, Kashiwa, Chiba
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 金属酵素の多参照電子状態計算および鉄五核錯体の密度汎関数計算 (2016)
  • 著者名/発表者名: 柳井 毅
  • 学会等名: 触媒・電池元素戦略研究拠点 第9回公開シンポジウム
  • 発表場所: 京都府京都市, 京大桂キャンパス
  • 招待講演
• [学会発表] Advanced multireference theory based on density matrix renormalization group: theory and applications (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Yanai
  • 学会等名: ICIQ-FIFC Spain-Japan Joint Symposium on Theoretical and Computational Chemistry of Complex System
  • 発表場所: Tarragona, Spain
  • 年月日: 2015-11-25
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Advanced multireference theory using ab initio density matrix renormalization group (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Yanai
  • 学会等名: The 6th Japan-Czech-Slovak Symposium for Theoretical and Computational Chemistry,
  • 発表場所: Bratislava, Slovakia
  • 年月日: 2015-10-11
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Advanced multireference theory based on density matrix renormalization group (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Yanai
  • 学会等名: Recent Advances in Electronic Structure Theory
  • 発表場所: Nanjing, China
  • 年月日: 2015-06-03
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] 人工光合成の実現に向けた酸素発生触媒の開発に成功
  • URL: https://www.ims.ac.jp/news/2016/02/12_3396.html