| 研究課題/領域番号 |
20H00373
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| 研究機関 | 京都大学 |
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研究代表者 |
高塚 和夫 京都大学, 福井謙一記念研究センター, 研究員 (70154797)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| キーワード | 実時間電子ダイナミクス / 電子・スピン流化学 / 非断熱遷移動力学 / 励起状態動力学 / 超高速化学反応 / 一般化学結合論 / 一般化学反応理論 |
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| 研究実績の概要 |
開発中の化学領域「超ボルン・オッペンハイマー化学」、あるいは「非断熱電子動力学理論」で支配される領域の基礎理論をより一般的に定式化し、原子核の動きと同期して電子波動関数が実時間変動する様子を直接観る方法論を開拓し、新たな結合論、反応論、電子状態論に関する化学概念の深化と応用を目的として研究を行っている。核心となる特徴的な化学結合の本質とその複雑電子系が作り出す反応場の開拓を中心課題として進めており、本課題の開始以来、質的に多彩な研究成果が得られている。原子クラスターの高励起状態における、非断熱電子動力学では、未踏の領域を歩いており、全く新しい電子状態理論の展開を続けている。また、本課題から、いくつかの重要な理論的・方法論的な副産物が得られている。例えば、（１）分子の全電子・原子核を含む全量子動力学のための時間依存変分理論（量子力学的Maupertuis-Hamiltonの原理）の構築、（２）化学反応における非断熱スピン流波束の理論、（３）量子力学的Huygensの理論によるGauss波束の回折・分波・トンネル現象の理論。
繰り越した次年度分も合わせて、非断熱電子動力学の解析理論として生まれたネルギー自然軌道理論の具体的な応用として、福井謙一のフロンティア軌道理論、Woodward-Hoffmann禁制反応、Jahn-Teller理論、擬Jahn-Teller現象、円錐交差の理論など、骨格となる化学理論を統一的な視点から再検討し、現代的な再構築を図ることができた。今後、励起状態における化学結合論、化学反応論へと発展させることができた。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
理論や研究を展開するアイデアという面で、順調あるいは思いがけない良い発展があった。さらに追究すべきことが次々と現れて、研究が順調あるいはそれ以上に展開できていると自己評価している。特に、新たに確立したエネルギー自然軌道の方法（Energy Natural Orbital（ENO））は、非断熱電子動力学系ほど複雑ではなくても、通常の量子化学の一般的な解析手法としても使うことができるため、量子化学理論の標準的な方法論として、その可能性をさらに追及したいと考えている。例えば、配置間相互作用型の波動関数やクラスター展開した波動関数など、高精度に電子相関を考慮した一般の波動関数を使って、「分子内に広がるエネルギー分布」の「軌道解析」を行うことができる。近年、高精度を求めるために、定性的理解を犠牲にせざるを得ない大規模な量子化学計算の技術と実際が進展しているが、逆に得られる結果は複雑になり、定性的な理解が難しくなる一方であった。特に電子励起状態の研究では、計算結果の複雑さが内容の理解を阻むことが非常に多い。ENOは、その中にあって理解しやすく、かつ、理論的に厳密な極めて一般的・普遍的な方を提供する。それは、励起分子内の電子エネルギー分布とは実質的に何なのか、エネルギー伝達・移動の実時間動力学はどうなっているか、を解明する手掛かりを与えており、全く新しい励起状態化学理論も目指して研究を可能にした。
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| 今後の研究の推進方策 |
コロナ禍ということもあって、若い研究者の流動性が激減している。そのため、電子動力学の遅い運動のタンパクなどの外場中への埋め込みの数値計算の面での人材確保は困難になり、「電子スピン流の動力学と化学反応」の研究に取り込むことにした。物性物理学などではスピントロニクスの研究が盛んであるが、実時間スピン流と化学反応の動的機構は、世界でまだ行われていない研究である。
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