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2020 年度 実施状況報告書

第一原理計算と深層学習を用いた非平衡材料物性に関する分子動力学的研究

研究課題

研究課題/領域番号 20K14378
研究機関岡山大学

研究代表者

三澤 賢明  岡山大学, 自然科学研究科, 助教 (00823791)

研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2023-03-31
キーワード分子動力学 / 第一原理 / 機械学習 / 圧力誘起構造変化 / 衝撃圧縮
研究実績の概要

第一原理分子動力学法の計算精度を保ちながら,取り扱うことのできる空間的・時間的スケールを大幅に拡張できる可能性のある手法として,人工ニューラルネットワークを用いた機械学習に基づき構築した原子間ポテンシャル(ANNポテンシャル)を用いた分子動力学法が大きな注目を集めている.本研究では,このANNポテンシャルの適用可能範囲を非平衡性の強い過程へ拡大するため,quartz結晶における衝撃圧縮挙動の再現を試みている.

令和2年度は,ある原子配列に対するポテンシャルエネルギーの情報のみを教師データとして利用した標準的な学習法により構築したANNポテンシャルを用いることで,弾性波衝撃圧縮挙動を精度良く再現できることを明らかにした.加えて,より非平衡性の強い塑性波衝撃圧縮挙動を再現するため,ポテンシャルエネルギーに加えて原子にはたらく力と圧力も教師データとして用いることで,より高性能なANNポテンシャルを構築することを試みた.この方法で試作したANNポテンシャルを用いることで,標準的な学習法では再現できなかった弾-塑性遷移の挙動を概ね良好な精度で再現することに成功した.

さらに上記と並行して,fayalite結晶における圧力誘起非晶質化現象の分子動力学的研究に着手した.fayaliteは40 GPa程度の加圧により温度に依らない非晶質化を示すことが実験的に知られているが,微視的な構造変化機構および非晶質相の構造的特徴について分子動力学法に基づく解析は行われていなかった.本研究では第一原理分子動力学法に基づき常圧から120 GPaまでの加圧および減圧のシミュレーションを実施した.その結果,圧力によって非晶質化したfayalite中にはmelt-quench過程で生成したガラス状態よりも高配位数のSiが多く存在し,シリカにおける永久高密度化ガラスに似た構造的特徴を有していることがわかった.

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

ANNポテンシャルを用いたクォーツ結晶の弾性波衝撃圧縮のMDシミュレーションに関する成果をまとめた論文が出版に至ったことに加え,学習法を改良することで弾-塑性遷移挙動を再現することに成功するなど,当初の計画を順調に達成している.

今後の研究の推進方策

ANNポテンシャルを用いた衝撃圧縮挙動のシミュレーションの精度改善のため,学習パラメータの詳細な検討を行う.また,ANNポテンシャルを大規模系へ適用し,第一原理電子状態計算を組み合わせた物性解析を実施する予定である.加えて,固体材料のせん断変形挙動の第一原理分子動力学シミュレーションなど,他の非平衡過程に関連する研究を展開する予定である.

次年度使用額が生じた理由

次年度使用額が生じた理由:新型コロナウイルス感染拡大の影響を受け,外部機関を訪問しての研究打ち合わせが実施できなかったことに加え,当初出席を予定していた国内学会・国際会議等がすべてオンライン開催となったため.

使用計画:当初の予定よりも計算リソースを増やし,研究の進展速度の向上を図る.

  • 研究成果

    (10件)

すべて 2021 2020

すべて 雑誌論文 (3件) (うち国際共著 2件、 査読あり 3件) 学会発表 (7件) (うち国際学会 1件)

  • [雑誌論文] Application of First-Principles-Based Artificial Neural Network Potentials to Multiscale-Shock Dynamics Simulations on Solid Materials2020

    • 著者名/発表者名
      Misawa Masaaki、Fukushima Shogo、Koura Akihide、Shimamura Kohei、Shimojo Fuyuki、Tiwari Subodh、Nomura Ken-ichi、Kalia Rajiv K.、Nakano Aiichiro、Vashishta Priya
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry Letters

      巻: 11 ページ: 4536~4541

    • DOI

      10.1021/acs.jpclett.0c00637

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] First‐Principles Study of Pressure‐Induced Amorphization of Fe 2 SiO 4 Fayalite2020

    • 著者名/発表者名
      Misawa Masaaki、Shimojo Fuyuki
    • 雑誌名

      physica status solidi (b)

      巻: 257 ページ: 2000173~2000173

    • DOI

      10.1002/pssb.202000173

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] A mechanistic investigation of moisture-induced degradation of methylammonium lead iodide2020

    • 著者名/発表者名
      Hada Masaki、Abdullah Al Asad Md.、Misawa Masaaki、Hasegawa Yoichi、Nagaoka Ryota、Suzuki Hiroo、Mishima Ryuji、Ota Hiromi、Nishikawa Takeshi、Yamashita Yoshifumi、Hayashi Yasuhiko、Tsuruta Kenji
    • 雑誌名

      Applied Physics Letters

      巻: 117 ページ: 253304~253304

    • DOI

      10.1063/5.0021338

    • 査読あり
  • [学会発表] 人工ニューラルネットワーク原子間ポテンシャルを用いた銀カルコゲナイドの圧力誘起構造変化2021

    • 著者名/発表者名
      高良明英, 福島省吾, 三澤賢明, 島村孝平, 下條冬樹
    • 学会等名
      日本物理学会第76回年次大会
  • [学会発表] 第一原理分子動力学法によるせん断応力下におけるAg2S1-xSexの構造回復機構2021

    • 著者名/発表者名
      法橋陽, 福島省吾, 三澤賢明, 高良明英, 島村孝平, 下條冬樹
    • 学会等名
      日本物理学会第76回年次大会
  • [学会発表] 人工ニューラルネットワーク原子間ポテンシャルを用いたシリカの衝撃圧縮シミュレーション2021

    • 著者名/発表者名
      三澤賢明, 福島省吾, 高良明英, 島村孝平, 下條冬樹, Ken-ichi Nomura, Rajiv K. Kalia, Aiichiro Nakano, Priya Vashishta
    • 学会等名
      日本物理学会第76回年次大会
  • [学会発表] First-Principles Study of Microscopic Mechanism of High Ductility of Silver Sulfide/Selenide2021

    • 著者名/発表者名
      Hinata Hokyo, Masaaki Misawa, Shogo Fukushima, Kohei Shimamura, Akihide Koura, Fuyuki Shimojo
    • 学会等名
      APS March Meeting 2021
    • 国際学会
  • [学会発表] 人工ニューラルネットワークを用いた分子動力学における原子間ポテンシャルの精度向上2020

    • 著者名/発表者名
      町田成海, 三澤賢明, 鶴田健二
    • 学会等名
      2020年度応用物理・物理系学会中国四国支部合同学術講演会
  • [学会発表] せん断応力下におけるAg2S1-xSexの第一原理分子動力学シミュレーション2020

    • 著者名/発表者名
      法橋陽, 福島省吾, 三澤賢明, 高良明英, 島村孝平, 下條冬樹
    • 学会等名
      日本物理学会2020年秋季大会
  • [学会発表] アモルファスFe2SiO4の構造と電子状態に関する第一原理的研究2020

    • 著者名/発表者名
      三澤賢明, 下條冬樹
    • 学会等名
      日本物理学会2020年秋季大会

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公開日: 2021-12-27  

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