2020 Fiscal Year Research-status Report
第一原理自由エネルギー計算による氷惑星内部構造の解明
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20K04043
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| Research Institution | Ehime University |
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Principal Investigator |
土屋 旬 愛媛大学, 地球深部ダイナミクス研究センター, 准教授 (00527608)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
土屋 卓久 愛媛大学, 地球深部ダイナミクス研究センター, 教授 (70403863)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 氷惑星 / 高圧 / 第一原理計算 / 相図 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
H2Oは太陽系惑星の主要な構成物質のひとつであり、高温高圧下における挙動の解明は地球や惑星科学において重要な課題である。H2Oは化学的に単純な組成をもつにもかかわらず、高圧下における相図、状態方程式や基本的物性に一致した見解が得られていない。特に、惑星内部のような高温高圧下においてH2Oは酸素格子中を水素が液体のようにふるまう超イオン相が存在すると考えられている。しかし、この超イオン相の構造自体も未だ十分解明されていない。本研究はH2Oの高温高圧下における相図、特に超イオン相の構造を解明するために、第一原理電子状態計算法と熱力学積分法を組み合わせた自由エネルギー計算法を開発することである。
今年度は第一原理熱力学積分法を超イオン相に対応するようにプログラム開発を行った。この手法開発の課題は、熱力学積分を行う上で、超イオン相では酸素、水素について参照系をそれぞれ別にとる必要がある点である。すなわち、液相の場合は参照系を理想気体にとるが、超イオン相では酸素副格子が固相であるため、酸素は３次元調和振動子（アインシュタイン結晶）、水素は理想気体として設定し、試計算を実行している。高圧下では超イオン相の酸素副格子が体心立方から面心立方格子へと相転移することが示唆されており、これを自由エネルギーの観点から検証を行うことが一つの目標である。第一原理分子動力学計算には豊富な計算機資源が必要となるが、既存の計算機に加え、本年度は新規に並列計算機を１基導入し、計算条件の検証を行っている。
調和振動子の熱力学積分法は数値的厳密手法であるが、積分を行う際の中間状態の離散化により系統誤差が入る。この積分の精度を上げるには、λの値を細かくとる必要があるが、計算効率との均衡により本研究を行う上で必要な精度を検証中である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
現状、プログラム開発はこれまでの第一原理熱力学積分のプログラム開発の経験をもとに順調に進んでいる。超イオン相の計算には、固相（酸素）と液相（水素）について別々の参照系をとる必要がある。課題となっているのは、固相の参照系についての基準振動数を最適化する必要がある点であり、試計算を行っている。熱力学積分については、第一原理分子動力学計算を長時間実行し、エネルギー平均値を得る必要があるため、豊富な計算機資源を必要とする。今年度は、並列計算機を１基導入し、プログラムの移植等を行うことができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の研究推進に関する課題は、得られた結果の検証と研究開発の成果発表を可能な限り行うことである。
結果の検証については、これまでに発表した氷VII相の第一原理格子動力学計算により得られた自由エネルギーとの比較により、物理的に矛盾ない結果が得られているかを調べる必要がある。十分な精度が得られていない場合は、分子動力学計算をさらに長時間実行する、またλの値を多くとる等の対応が必要である。計算条件等の決定ののちは共同利用のスーパーコンピューター利用申請を行い、より高速かつ大規模にシミュレーションを行う予定である。
成果発表は現状ではオンライン学会発表が主になっており、詳細な議論が不可能な状況であるが、個別に実験系の研究者と連絡をとるなどで、研究成果の意義等について議論する必要がある。
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| Causes of Carryover |
コロナ禍により学会や研究会がオンラインに変更になり、旅費が計上されなかった。次年度、対面の研究会等が実施される場合は旅費として使用予定である。
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