| 研究課題/領域番号 |
21K03400
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| 研究機関 | 北陸先端科学技術大学院大学 |
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研究代表者 |
前園 涼 北陸先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 教授 (40354146)
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| 研究分担者 |
本郷 研太 北陸先端科学技術大学院大学, 情報社会基盤研究センター, 准教授 (60405040)
中野 晃佑 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 統合型材料開発・情報基盤部門, 独立研究者 (50870903)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| キーワード | 第一原理 / 拡散モンテカルロ / フォノン / 層状物質 / 電子相関 |
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| 研究実績の概要 |
グラフェンや層状化合物で実現される新規物性開拓においては、電子格子相互作用が支配する特性の第一原理解析は重要な役割を担う。当該系では「層内を支配する共有性結合と層間の非共有性結合との混在」、「低次元化された電子伝導による電子相関増強」という二重苦が密度汎関数法を中心とした従前解析法の急所を突く形となり、十分な予見信頼性は達成されない。一方、第一原理量子モンテカルロ法は原理的に、この問題に最も適した手法と目されてきたが、フォースなどエネルギー微分量算定の実用化が未確立であった。本研究では、自然勾配法などの考慮により新たなブレークスルーを達成しつつある「第一原理量子モンテカルロ法によるフォース算定」を格子振動解析の実用化にまで結実させる事で「層状物質の第一原理電子格子解析における予見信頼性」に革新的な向上をもたらすことを目的として研究を進めている。初年度には「波動関数空間での位相構造を考慮した勾配算定」に着目してフォース算定の実用性を大きく高めるような業績[分担者中野・代表者前園ら、Phys. Rev. B 103, L121110 (2021)]、および、現実系層状物質を対象とした量子モンテカルロ計算[分担者本郷、代表者前園ら、J. Phys. Chem. C (2022)]を確立させた。これら経験を通して、フォース算定の信頼性に大きな影響を与える要因として「擬ポテンシャルにかかる局所近似の問題」が浮き彫りとなり、当該年度中は特に、この問題に傾注して研究を推進した。擬ポテンシャルの非局所型構成の根本に立ち戻り、L2型と呼ばれる新たな方法を提案し、その開発と較正検証に取り組んだ。当該問題に対しての研究コミュニティの長年の取組み経緯の上に十分なインパクトを与えるような良好な結果が得られており、原著論文の執筆準備を進めている。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
「層状物質に対するフォース算定」という問題に取り組む過程で、勾配算定という直接的な技術事項に大きく切り込むような業績を確立させた。その上で、これと密接に関連する形で、次なる大きな挑戦課題として「擬ポテンシャルにかかる局所近似の問題」が設定され、これに関してもインパクトある良好な結果が得られつつある。擬ポテンシャルの局所近似問題は、量子モンテカルロ法電子状態計算の国際コミュニティにおいて数十年に亘り「系統的コントロールの難しい誤差要因」として認識されてきた頭の痛い問題である。その詳細な解析は、しかしながら、基底エネルギー値評価に限定されてきた。本研究が具体的に結果を提示できるような「フォース算定における局所近似の影響に関する知見」は他に殆ど見当たらず、当該期間中において、国際的にも着目度の高い新しい結果を創出するステージに辿り着いたと言える。具体的には、従来型擬ポテンシャルと、局所近似問題を解消したL2擬ポテンシャルとでフォース算定を比較し、「フォース算定における擬ポテンシャル局所近似の影響」を検証・解析することができる。この問題は、当該分野の国際研究コミュニティにおいて長く興味を持たれてきた事項であり、高い着目度を持ったインパクトある成果を狙うことができる。初年度と併せると、当初に掲げた研究課題設定に対し原著業績が得られた上に、その関連応用課題にも成果が得られている。その上で、より根本的な研究課題発掘(フォース算定における局所近似の影響)に至っており、かつ、課題の提示だけに終わることなく、具体的な成果も得られつつあり、当初の計画以上の研究進捗となっている。
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| 今後の研究の推進方策 |
「フォース算定における局所近似の影響に関する知見」という観点で、「波動関数空間での位相構造を考慮した勾配算定法」と「擬ポテンシャルの非局所型構成を解消する新たな評価法」の二つの新規方法論を統合する方向性で今後の研究を推進していく。新型コロナウイルス感染症蔓延にかかる移動制限や物品調達の遅れに関しては、国際的にも状況が大きく緩和に向かっており、当初に企画しながらも、やむなく十分に果たすことのできなかった国際協働開拓について特に傾注して研究を推進したい。当該年度までに得られた研究成果自体は当初の計画以上に積み上がっており、国際協働のシーズとなる課題には事欠かない。また、国際協働を具体化する上で、我々グループが有するシミュレーション検証基盤・計算資源は非常に有効に機能している。研究課題の推進を加速する有能な若手人材交流は、すべて、この計算資源の活用が軸となって具現化している。このためのサーバ設備にかかる調達整備も、新型コロナウイルス感染症蔓延の影響で需要・拡充ともに停滞を認めるところである。最終年度となる次年度中には、この点についても素早いリカバーを計り、上記に述べた「研究方針にかかる今後の方向性」に沿って、より大きな展開が加速されるよう拡充させていく。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
新型コロナウイルス感染症蔓延にかかる移動制限が当該年度にまで継続し、当初参加予定であった国際会議、および国内の学会定期講演会がオンラインに切り替えられたため、当初計上していた旅費の執行が叶わなかった。これに加え、国際的な半導体供給不足による物品調達の遅れも解消せず、シミュレーションにかかる計算機部材の購入に予想以上の時間がかかるなど、見送り措置を講じざる得なかった。現在、新型コロナウイルス感染症については国際的にも制限の撤廃に向けた動きが大きく加速しており、少なくとも研究計画に関連した諸外国渡航における制限は解除されている。物品調達に関する国際的遅延についても呼応して改善される見通しが見えつつある。次年度使用計画は、上記のことから、計画通り執行される見通しである。当該年度の未使用額については以下のように計画している。物品調達については、これまでの未執行分を含め、あわせて調達・執行する予定である。これまでに余剰となった旅費についても、当該計画にかかる研究打合せを拡充するなどして、次年度での執行をめざす。ここまでに達成された研究成果は期待以上のものとなっており、呼応した研究展開範囲の拡張が見込まれている。夫々の拡張項目に対し、より積極的な国際協働開拓を画策すべく、有効性のある研究打合せ渡航を計画する。
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