【研究領域課題番号】20K15013 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

機械学習ポテンシャル / 第一原理計算 / 荷電欠陥 / 水素脆化 / 量子効果 / 水素 / 計算物理 / 材料劣化

【研究成果の概要】

水素曝露による金属材料の劣化機構の解析に向けて、密度汎関数理論（DFT）に基づく第一原理計算データから機械学習手法によって原子間ポテンシャルを作成する取り組み（機械学習ポテンシャル）を昨年度に引き続き進めた。アルミニウム材料の劣化機構においては、酸化被膜と金属アルミニウムの界面での原子拡散の重要性が指摘されている。また、酸化物中に存在する水素の荷電状態を調べることも重要である。しかし、これまでに提案されている機械学習ポテンシャルの方法は、異なる荷電状態を含むDFT計算データに適用できないことがわかったため、ニューラルネットワークポテンシャル（NNP）をベースとした方法論の改良を進めた。昨年度に予備的な結果を得たが、開発した方法論をさらに検証するために、荷電欠陥の電子状態がよく知られている窒化ガリウム中における荷電窒素空孔をターゲットに用いた。窒素空孔の荷電状態として0、1+、2+、3+を含む窒化ガリウムの訓練データセットを作成し、開発した機械学習ポテンシャルを作成したところ、全ての荷電状態においてテストデータのエネルギーと原子間力を小さな誤差で予測することができた。次に、作成した機械学習ポテンシャルを用いて窒素空孔を含むモデルでの格子振動計算と欠陥生成エネルギー計算を行った。その結果、全ての荷電状態において機械学習ポテンシャルの予測値はDFT計算結果と良い一致を示すことがわかり、本手法の有用性を示すことができた。

【研究種目】若手研究

【研究期間】2020-04-01 - 2024-03-31

【配分額】4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)

【研究領域課題番号】18H01158 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

強相関電子系 / 磁性 / 超伝導 / 第一原理計算 / スパースモデリング / 動的平均場法 / データ科学 / 計算物理 / オープンソースソフトウェア / 量子モンテカルロ法 / 動的感受率 / 動的平均場理論

【研究成果の概要】

強相関電子系化合物では、多数の電子がクーロン斥力によって強く相互作用しあうことで、磁性や超伝導などの実用的に有用な様々な機能物性が発現する。それらの物性を理解する上で、外場への応答を表す感受率が重要な役割を果たす。しかし、現実の強相関化合物に対する感受率の計算は、数値計算の難しさのために実現していない。本研究では、データ科学的な方法論を応用することで、強相関化合物の感受率計算の実現に向けた多くの進展を得た。

【研究の社会的意義】

静的な外場に対応する感受率は、材料としての性能そのものを表し、また、磁性や超伝導状態への相転移温度の決定にも利用される。一方、動的な外場に対応する感受率によって物質の励起構造を調べることができる。このように、静的および動的感受率は基礎・応用共に極めて重要な物理量であるが、多くの有用な機能物質を有する強相関電子系化合物の感受率計算は困難であった。本研究成果はこれを可能とするもので、今後、現実の機能物質の研究に応用されていくと期待される。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2018-04-01 - 2021-03-31

【配分額】17,420千円 (直接経費: 13,400千円、間接経費: 4,020千円)

【研究分野】天文学

【研究領域課題番号】16K13782 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子化学計算 / アストロケミストリー / 惑星系形成 / 星間化学 / アストロバイオロジー / 第一原理計算 / 理論天文学 / 惑星起源・進化 / 計算物理 / 化学物理

【研究成果の概要】

生命の材料物質となる有機分子の生成については、分子雲から原始地球までさまざまな環境での反応過程が提案されている。どのような環境、過程が最も効くのか定量的な評価には、各反応過程でおこる素反応の反応経路や反応速度の解明が不可欠である。本研究ではパイロットスタディとして、星・惑星系形成領域におけるグリシンをはじめとする有機分子の生成破壊に関わる素反応の活性化エネルギーや分岐比を第一原理に基づく量子化学計算によって調べた。またこれら素反応を反応速度式に組み込んで反応系の数値モデルを構築し、星・惑星系形成領域での有機分子生成の数値シミュレーションを行った。

【研究の社会的意義】

生命の材料物質となる有機物はどのように作られ、原始地球上にどれくらい存在したのだろうか？これにはさまざまな説がある。天文学に最も関連深いのは、星間分子として生成された有機分子が彗星に取り込まれ地球にもたらされたとする星間物質起源説であろう。近年、若い太陽に相当する原始星の周囲でギ酸などさまざまな有機分子が検出されている。本研究では、生命関連分子の代表ともいえるグリシンの生成過程について２つの代表的な生成反応を選び、量子化学計算によってそれらの反応のメカニズムと反応の起きる条件を調べた。またさまざまな反応を取り込んだ数値シミュレーションで若い星の周りでの有機分子の生成について調べた。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2016-04-01 - 2019-03-31

【配分額】3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円)

【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】23340095 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

高温超伝導 / 第一原理計算 / 転移温度 / ダウンフォールディング / 超伝導密度汎関数理論 / ダウンフォーフディング / 強相関電子系 / 計算物理 / 超伝導材料•素子 / 物性理論 / 分子性固体

【研究成果の概要】

第一原理的に超伝導転移温度を計算する方法論を開発・応用した。密度汎関数理論と強相関モデル計算を融合するアプローチについては、スピン軌道相互作用、電子格子相互作用の取り込みを行った。超伝導密度汎関数理論に基づくアプローチについては、プラズモン機構が取り扱えるような拡張を行った。開発した手法を鉄系超伝導体、層状窒化物超伝導体、重い電子系、炭素系超伝導体、高圧下リチウムなどの系に適用した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2011-11-18 - 2014-03-31

【配分額】5,200千円 (直接経費: 4,000千円、間接経費: 1,200千円)

【研究分野】数理物理・物性基礎

【研究領域課題番号】20740215 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

計算物理 / モデル化 / 物性理論 / 第一原理計算 / MgO / Cu-Zr / 水 / 融解 / マルチカノニカル法 / Cu / Zr / 特性理論 / 第一原理計 / PBEsol

【研究成果の概要】

物質の原子構造を精度よく取り扱える非経験的電子状態計算が与える力場から、マルチカノニカルアンサンブルを媒介にしてその熱力学が最大限保持されるようにモデル原子間ポテンシャルを導く手法について、物質の3つの結合様式(イオン、金属、分子)について代表(MgO、Cu-Zr、水)を選んで、その能力を熱平衡として扱える融解の性質と非平衡の性質であるガラス化について検証し手法の改良を行った。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2008 - 2011

【配分額】3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)