実験を参照せず物質の準安定構造を探索するシミュレーション法の開発

2020 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 20K20895
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 明石 遼介 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (40734356)
• 研究期間 (年度): 2020-07-30 – 2023-03-31
• キーワード: 準安定状態 / 結晶構造探索

研究実績の概要

本課題では、熱力学的に不安定でも合成可能な準安定固体相を探索するシミュレーション手法の開発を行う。まず当初の研究計画に則り、プロジェクトに用いるGPUワークステーションを調達し、基本的な設定作業を進めた。この際、マシン保守の便宜のためプロビジョニングシステムの導入を進めた。これにより今後のアップデート作業などを省力化できると期待される。

その後、当初は典型的物質について準安定構造の崩壊シミュレーションを実施しデータを収集する予定であったが、興味深い新奇準安定超伝導体の高圧下合成報告が実験家からもたらされたため、準安定相への知見収集の一環として急遽この物質の国際共同研究に参画した。代表者は中でも電子状態、特にその超伝導状態の解析を行った。これはランタン-イットリウム-水素の三元系で、既知のランタン水素化物、イットリウム水素化物においては安定化しない結晶構造が両者の混合物から合成された。これについて代表者は、回折実験から得られた結晶構造をもとに、ありうる超伝導状態のシミュレーションを第一原理計算により行った。フォノンによって電子間に媒介される引力によって超伝導が引き起こされるとするEliashberg理論に基づき、観測された超伝導転移温度が確かに再現されることを確かめた。この結果はランタン-イットリウム-水素混合系の超伝導が典型的なフォノン機構に因るものであるという強力な証拠を与えた。この系は混合による機能性準安定結晶の安定化の実例として興味深い。本結果はMaterials Today誌に採択された。

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

本年度は研究環境の整備が済んだ後、準安定構造の合成可能性を調べる手法開発のため、準安定構造の崩壊シミュレーションをよく知られた典型的物質について進める予定であった。しかし実際に興味深い性質を示す新奇な水素化物準安定相の発見報告がもたらされ、本年度は研究計画の変更を迫られた。水素化物は近年発展が著しい研究対象であり、このような準安定相の実例を見つける手法開発こそが本課題の目標だったこともあり、この系の性質の解明に取り組むこととした。結果本来予定していた、ベンチマーク物質における準安定構造の崩壊過程のデータ収集に割り振るエフォートが不足した。とはいえ、研究した水素化物における「混合による準安定相の安定化」というメカニズムは今後の手法開発において参考事例になると考える。

今後の研究の推進方策

基本路線としては、本来の目標である準安定構造の合成可能性を調べる手法の確立を目指し、ポテンシャル平面の脱出パス主成分抽出法、主成分空間における熱力学関数の計算法、そして準安定状態の寿命・遷移確率の計算法を開発していく。一方、現実に興味深い準安定構造が報告された場合は、それらの性質の研究も適宜計画に取り入れていく。近年研究の進展が著しい水素化物超伝導体の準安定構造を視野に、代表者が専門性を持つ、超伝導状態の第一原理計算による解析手法も開発を進めていく。

次年度使用額が生じた理由

次年度使用額が生じた理由は、購入を計画していた計算機と同スペックのものが、相場変動と見積もり相談により安く購入できたためである。次年度使用額の使用計画として、2021年度秋を目処に追加で計算機を購入する。

研究成果

• [国際共同研究] Skolkovo Inst. Sci. Tech./Shubnikov Inst. Crystallogr./Dukhov Research Institute of Automatics(ロシア連邦)
  • 国名: ロシア連邦
  • 外国機関名: Skolkovo Inst. Sci. Tech./Shubnikov Inst. Crystallogr./Dukhov Research Institute of Automatics
  • 他の機関数: 3
• [国際共同研究] ID15B High Pressure Diffraction Beamline(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: ID15B High Pressure Diffraction Beamline
• [国際共同研究] Deutsches Elektronen-Synchrotron(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: Deutsches Elektronen-Synchrotron
• [雑誌論文] Superconductivity at 253K in lanthanum-yttrium ternary hydrides (2021)
  • 著者名/発表者名: D. V. Semenok, I. A. Troyan, A. G. Ivanova, A. G. Kvashnin, I. A. Kruglov, M. Hanfland, A. V. Sadakov, O. A. Sobolevskiy, K. S. Pervakov, I. S. Lyubutin, K. V. Glazyrin, N. Giordano, D. N. Karimov, A. L. Vasiliev, R. Akashi, V. M. Pudalov, A. R. Oganov
  • 雑誌名: Materials Today 巻: - ページ: -
  • 査読あり / 国際共著