「モアレ」を利用した物性制御の第一原理的研究

2017 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15H03521
• 研究機関: 京都産業大学
• 研究代表者: 内田 和之 京都産業大学, 理学部, 准教授 (10393810)
• 研究分担者: 岩田 潤一 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 講師 (70400695) [辞退]
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2020-03-31
• キーワード: モアレ / 原子膜 / 第一原理計算

研究実績の概要

モアレを利用した熱伝導性の制御を研究するために、必要なコードの開発を続けている。
熱伝導性を知るには、モアレを生じた系における原子の運動について、詳しく調べる必要が有る。最終的には、第一原理的な電子状態計算を用いて各原子に働く力を正確に計算し、その力が働いた場合の運動式を解く計画である。しかしながら、第一原理的な電子状態計算は、特にモアレが生じているような巨大な系において、電子の個数があまりにも多く、莫大な時間と計算機資源を消耗してしまう。そこでまず、経験ポテンシャル法に基づく古典的、半定量的な分子動力学法を用いてモアレを生じた系における原子の運動を調べ、研究の見通しを立てることが必要だと考え、現在も、面内の原子間相互作用(共有結合)と面間の相互作用(ファンデルワールス力)の両方を、半定量的に記述することのできる経験ポテンシャルと、超多原子の運動方程式を効率的に解くための超並列計算プログラムの開発を進めている。この研究の延長上、平成30年度の研究計画で必要となる分散関係のアンフォールドについては、文献調査中である。
また、上と平行して「モアレの物質科学」の研究も継続している。原子膜物質であるh-BNに着目し、「h-BN円盤を2枚重ねてから互いに逆方向へとねじった系」のエネルギーがねじれ角の関数としてどのように振る舞うかを調べている。平成28年度に調べたグラフェン円盤の結果と共通である部分と、異なる部分が見られ、現在はその物理的な起源について解析を進めている。

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

モアレを利用した熱伝導性の制御の研究を進める上で避けることのできない、経験ポテンシャルの作成と、分子動力学計算プログラムの作成が若干遅れていることから、「やや遅れている」と判断する。また平成29年度末、Nature誌にモアレを生じた系で、ねじれ角に依存して超伝導が現れるという実験報告が初めてなされ、研究当初には想定していなかった側面（超伝導）からも「モアレを利用した物性制御」を調べる必要が生じている。この件に関しては、現在はまだ情報収集の段階であり、研究が進んでいない。Nature論文においては、非フォノン機構による超伝導であろうという示唆がなされている。しかしながらモアレを生じた系の運動方程式を解き、フォノンを調べることは、超伝導の機構をはっきりと特定する為にも不可欠な情報であると考えている。

今後の研究の推進方策

面内の原子間相互作用(共有結合)と面間の相互作用(ファンデルワールス力)の両方を、半定量的に記述することが出来る経験ポテンシャルを作成する。原子数の比較的には少ない系で第一原理計算および実験の結果を再現するように経験ポテンシャルを作成し、作成したポテンシャルを原子数の多い系に適用し、結果を検討する。 ポテンシャルを確立した後、まずモアレを生じた系におけるフォノン分散について調べる。この時に、実験との比較の為にはフォノン分散のバンドをアンフォールドする理論とプログラムを作成する必要がある。 最後に、モアレを生じた系における熱伝導の分子動力学シミュレーションを行う。得られた結果を、フォノン分散に関する知見を利用しつつ解析する計画である。このような古典分子動力学によって、モアレを生じた系における熱伝導性の物理について見通しを立てておけば、第一原理計算による分子動力学法を使ってその信頼性を確保する時のコストを必要最小限に抑えることができる。