光と電子のダイナミクスを記述する第一原理マルチスケールシミュレーション法の開発

• 研究領域: コンピューティクスによる物質デザイン：複合相関と非平衡ダイナミクス
• 研究課題/領域番号: 25104702
• 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: 筑波大学
• 研究代表者: 矢花 一浩 筑波大学, 数理物質系, 教授 (70192789)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2015-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2014年度)
• 配分額: 3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円); 2014年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円); 2013年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円)
• キーワード: 第一原理計算 / マルチスケールシミュレーション / レーザー加工 / 非線形光学 / アト秒科学 / 時間依存密度汎関数理論 / 超高速現象 / フェムト秒レーザー

研究実績の概要

光と物質の相互作用を記述する第一原理マルチスケール・シミュレータの開発を進め、パルスレーザー光と誘電体の相互作用に関する研究を発展させた。
光と物質の相互作用を定量的に記述する上で、固体のバンドギャップの測定値を再現するよう理論を構築することが極めて重要である。第一原理計算でバンドギャップを系統的に記述することが知られるメタGGAポテンシャルとハイブリッド汎関数を用い、安定したシミュレーションが可能となることを確認した。メタGGAポテンシャルではエネルギー汎関数が存在しないことから、電子励起エネルギーや光から電子へのエネルギー移行を求める手法を開発した。ハイブリッド汎関数を用いた計算は、極めて計算量が多くなることから、GPUによる計算の加速を行うコードを開発した。メタGGAポテンシャルを用いた計算は、局所密度近似の高々３倍程度の計算量で済むことから現実系の計算が可能である。パルス光を透明物質に照射した際に現れる超高速電流の分析や、高強度パルス光による透明物質のアブレーション閾値や深度の分析に適用した。
マルチスケール計算は極めて計算量が大きいことから、電子ダイナミクス計算を簡易に行う近似的なシミュレーション法が望まれる。この候補として、基底関数展開を用いハミルトニアンを密行列で表現する方法を検討した。この際、用いるk点毎に基底状態での占有・非占有軌道を基底関数に用いると計算の収束が極めて遅く、隣接したk点の占有軌道を基底関数に含めることにより収束が劇的に改善されることを明らかにした。

現在までの達成度 (段落)

26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

26年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Particle-number projection method in time-dependent Hartree-Fock theory : Properties of reaction products (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Sekizawa, K. Yabana
  • 雑誌名: Physical Review C 巻: 90 号: 6
  • DOI: 10.1103/physrevc.90.064614
  • 査読あり
• [雑誌論文] Attosecond band-gap dynamics in silicon (2014)
  • 著者名/発表者名: Martin Schultze, Krupa Ramasesha, C.D. Pemmaraju, S.A. Sato, D. Whitmore, A. Gandman, James S. Prell, L. J. Borja, D. Prendergast, K. Yabana, Daniel M. Neumark, and Stephen R. Leone
  • 雑誌名: Science 巻: 346 号: 6215 ページ: 1348-1352
  • DOI: 10.1126/science.1260311
  • 査読あり
• [雑誌論文] Dielectric response of laser-excited silicon at finite electron temperature (2014)
  • 著者名/発表者名: S.A. Sato, Y. Shinohara, T. Otobe, K. Yabana
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 90 号: 17 ページ: 174303-174303
  • DOI: 10.1103/physrevb.90.174303
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Ab-initio simulation of electrical currents induced by ultrafast laser excitation of dielectric materials (2014)
  • 著者名/発表者名: Georg Wachter, Christoph Lemell, Joachim Burgdorfer, Shunsuke A. Sato, Xiao-Min Tong, Kazuhiro Yabana
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 113 号: 8 ページ: 087401-087401
  • DOI: 10.1103/physrevlett.113.087401
  • 査読あり
• [雑誌論文] Efficient basis expansion for describing linear and nonlinear electron dynamics in crystalline solids (2014)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke A. Sato, Kazuhiro Yabana
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 89 号: 22 ページ: 224305-224305
  • DOI: 10.1103/physrevb.89.224305
  • 査読あり
• [雑誌論文] Massively-parallel electron dynamics calculations in real-time and real-space: Toward applications to nanostructures of more than ten-nanometers in size (2014)
  • 著者名/発表者名: M. Noda, K. Ishimura, K.Nobusada, K. Yabana, T. Boku
  • 雑誌名: J. Comput. Phys. 巻: 265 ページ: 145-155
  • DOI: 10.1016/j.jcp.2014.02.006
  • 査読あり
• [雑誌論文] First-principles simulation of the optical response of bulk and thin-film α-quartz irradiated with an ultrashort intense laser pulse (2014)
  • 著者名/発表者名: Kyung-Min Lee, Chul Min Kim, Shunsuke A. Sato, Tomohito Otobe, Yasushi Shinohara, Kazuhiro Yabana and Tae Moon Jeong
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 115 号: 5
  • DOI: 10.1063/1.4864662
  • 査読あり
• [雑誌論文] Numerical pump-probe experiments of laser-excited silicon in nonequilibrium phase (2014)
  • 著者名/発表者名: S. A. Sato, K. Yabana, Y. Shinohara, T. Otobe, and G. F. Bertach
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 89 号: 6
  • DOI: 10.1103/physrevb.89.064304
  • 査読あり
• [学会発表] First-principles description of strong electromagnetic fields in solids (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Yabana
  • 学会等名: APS Meeting 2014
  • 発表場所: Colorado Convention Center, Denver, USA
  • 招待講演
• [学会発表] Maxwell + TDDFT multiscale simulation for strong electromagnetic fields in solids (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Yabana
  • 学会等名: Quantum Dynamics Research Meeting
  • 発表場所: Vanderbilt University, USA
  • 招待講演
• [学会発表] Multiscale description for strong electromagnetic fields in solids (2013)
  • 著者名/発表者名: K. Yabana
  • 学会等名: Gordin Research Conference on TDDFT
  • 発表場所: Univ. New England, USA
  • 招待講演
• [図書] Advances in Multi-Photon Processes and Spectroscopy Vol. 21, pp.209-244 (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Yabana, Y. Shinohara, T. Otobe, J.-I. Iwata, G.F. Bertsch
  • 総ページ数: 46
  • 出版者: World Scientific
• [図書] Advances in Multi-Photon Processes and Spectroscopy: Volume 21 (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Yabana, Y. Shinohara, T. Otobe, J.-I. Iwata, G.F. Bertsch
  • 総ページ数: 60
  • 出版者: World Scientific