高密度水素・水素化合物における非調和格子振動の解析手法開発と構造探索への応用

2023 年度 研究成果報告書

• 研究課題/領域番号: 21K03437
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分13030:磁性、超伝導および強相関系関連
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 阿部 和多加 東北大学, 電気通信研究所, 准教授 (00361197)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2024-03-31
• キーワード: 非調和格子振動 / 水素および水素化合物 / 高圧 / 第一原理計算

研究成果の概要

Self-consistent harmonic 近似による非調和格子振動解析手法を開発し、陽子の零点エネルギーの影響も含め、高圧水素原子相の構造を第一原理計算により調べた。この解析から、水素は約3.5 TPa付近で等方的な構造へと転移し、そこでは非調和効果のため、５つの等方的構造が近いエンタルピーで競合していることが分った。また候補のひとつであるbcc構造は、調和近似では233 TPaまで力学的に不安定だが、非調和性により5.8TPaで安定化されるとの予測が得られた。これらの結果は、非調和零点エネルギーが水素の相図に大きく影響することを示唆している。

自由記述の分野

物性理論

研究成果の学術的意義や社会的意義

水素を含む系を理論的に扱うのは意外に難しく、それは主に陽子の量子性に由来する。このため水素、水素化合物の物性予測では、量子性を調和近似の範囲に留めるか、または非調和性を含めた大規模解析を限られた構造に対して行うかのどちらかであった。本研究ではこの量子性を、非調和効果も含めて簡便に扱う手続きを提示している。水素化合物は、最近では高温超伝導体としての可能性から注目されている。また水素吸蔵合金は、燃料電池との関連から活発に調べられている。水、有機物など、水素を含む系は豊富で身近でもある。本研究成果は、これら多様な物質と関連するものであり、その適用範囲は広範囲に及ぶと期待できる。