研究課題
物質近傍に局在する近接場光は、局所的な電子励起や四極子応答などの双極子禁制励起を可能とし、新たな光化学反応の場としての応用が期待されているが、近接場光と分子の相互作用は通常の量子化学計算で用いられる双極子近似では記述できないため、理論・計算の立場から理解を深めるためには新たな方法論の開発が必要になる。本研究では、第一原理のハミルトニアンに立ち返って近接場光と分子の相互作用を考慮し、双極子近似を超えた近接場光励起が引き起こす分子の動力学を解明するための第一原理分子動力学法の開発を行い、近接場光に励起された分子の電子および原子ダイナミクスの観点から、双極子禁制励起や局所励起の引き起こす分子動力学の解明することを目指している。本年度はハミルトニアンの検証と分子動力学計算の検証を行った。電子ダイナミクスプログラムに、多重極ハミルトニアンと最小結合ハミルトニアンを実装して近接場光励起の理論的な記述法についての検証を行った。多重極ハミルトニアンの場合には磁場の効果を無視し、最小結合ハミルトニアンではベクトルポテンシャルを無視した際の両ハミルトニアンを持ちいて電子ダイナミクス計算を比較した結果は良く一致した。また最小結合ハミルトニアンを用いて、近接場光励起のモデル計算においてベクトルポテンシャルの寄与が無視でき、スカラーポテンシャルのみで記述可能なことを明らかにした。また、分子動力学に関しては、Ehrenfest法を用いて双極子近似の範囲において、強いレーザー光照射のもとでの二原子分子の解離過程を調べた。今後は、これらの知見をもとに、近接場光励起の分子動力学の計算を進めていく予定である。
2: おおむね順調に進展している
当初予定していた、双極子近似を超えた近接場光と分子の相互作用項をと分子動力学計算に必要なgradientの計算を、第一原理電子動力学プログラムに実装できた。また、ハミルトニアンとしては多重極ハミルトニアンと最小結合ハミルトニアンの両方を利用出来るようになり、近接場光と分子の相互作用は、ベクトルポテンシャルの効果を無視できることを明確にしめすことができた。また、多重極ハミルトニアンと最小結合ハミルトニアンの両方を利用できることから、状況に応じて使い分けるなどの数値計算手法の幅を広げることも出来た。
本年度までに、近接場光励起の分子動力学計算に必要なルーチンは揃ったことになる。今後は、分子動力学計算の進めるとともに、より効率の良いプログラムへと改良を進めて多原子分子での計算を実証できるようにしていく。また、物質近傍に生成する近接場光を計算する計算電磁気学的な手法との組み合わせによって、実際の実験状況により近い分子動力学計算を出来るように進めて行く予定である。
計算機が予定額よりも少し安く購入することが出来た分、次年度に10万円程度持ち越せることになった。これは計算データを保護するためのNASの購入に充てることを予定している。
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すべて 雑誌論文 (4件) (うち国際共著 1件、 査読あり 4件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (4件) 備考 (1件)
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https://wwwchem.sci.hokudai.ac.jp/~qc/member/takeshi_iwasa/
