研究紹介

私たちの研究室では、 電子状態理論にもとづくコンピュータシミュレーション手法、 分子動力学法や第一原理電子状態計算を使って、 極限条件における物質の性質を研究しています。 （第一原理というのは、 素電荷やプランク定数などの物理の基礎定数のみを用いて、 電子が従う基礎方程式を経験的パラメーターに頼らずに解くという意味です。） 実験データに頼らないコンピュータシミュレーションは、 超高圧下や複雑な固体表面・界面・ナノ構造など、実験で観測するのが困難であったり、 実験だけでは十分な情報が得られない極限条件の物性研究を行う上で、 とりわけ重要な研究手法です。

ここでは、最近数年間の主要な研究テーマを紹介します。
研究紹介の欄では、 研究の一部を学部生向けにわかりやすく説明しています。

計算手法開発

Sturcture Optimization
最安定構造探索の概念図

研究紹介
「波動関数理論に基づく電子状態計算手法トランスコリレイティッド法の開発」
「擬ポテンシャル開発」
「格子熱伝導率の第一原理計算」
「トランスコリレイティッド法の波動関数を用いた拡散量子モンテカルロ法」
「高効率なブリルアン領域積分法の開発」
「分割統治法に基づく一電子エネルギースペクトルの第一原理計算手法」
「嵩上げポテンシャルエネルギー面を用いた物質構造探索手法の開発」

光物性

図:
数値計算により安定性が示されたダイアモンド中の励起子多体束縛状態(実線で囲まれた領域)

研究紹介
「ダイアモンドにおける励起子多体束縛状態の安定化機構の理論的解明」
「相変化記録材料の超短パルスレーザー照射によるアモルファス化の第一原理計算」

誘電体

図:
チタン酸バリウム中にドープされた電子キャリア

研究紹介
「チタン酸バリウム(BaTiO3)の強誘電の起源」
「BaTiO3−xHx中の水素のNMR化学シフト」

固体中水素の物性

図:シリコン結晶中のミューオニウム
シリコン結晶中のミューオニウム核の分布
Phys. Rev. Lett. 81, 1873-1876 (1998).

研究紹介
「ルチル型酸化物半導体中の不純物水素の電子状態」
「新奇ペロブスカイト型酸水素化物の探索」
「シリコン結晶中のミューオニウム」

超伝導

図:
MgB2におけるFermi面上のギャップ関数

研究紹介
「超伝導転移温度の第一原理的予測」
「水素化合物における高温超伝導の第一原理シミュレーション」

磁性


ネオジム磁石の界面の様子

研究紹介
「ネオジム磁石の界面構造に関する第一原理的アプローチ」
「非磁性材料界面における遍歴強磁性」

熱伝導

Lattice thermal-conductivity calculation with NEMD
非平衡分子動力学を用いた熱伝導率計算

研究紹介
「格子熱伝導率の第一原理計算」
「ラットリング振動による熱伝導率低減のメカニズム」

表面界面科学

  • 界面の電子状態およびスピン物性
  • 半導体や金属表面への分子吸着
  • 表面化学反応
  • 触媒反応
Spin-polarized state at a nitride-boride interface
AlN/MgB2界面のスピン分極波動関数
Phys. Rev. Lett. 106, 047201 (2011).

研究紹介
「非磁性材料界面における遍歴強磁性」
「次世代半導体材料SiON/SiC表面系の研究」
「半導体表面に規則的に並んだ有機分子の性質」
「第一原理計算によるCu(100)-c(2×2)N表面の研究」

超高圧下における物性

図:超高圧下の固体水素
超高圧下の固体水素原子核の分布
Nature 404, 259-262 (2000).

研究紹介
「固体水素の構造計算」
「高圧下での含水鉱物の第一原理電子状態計算」
「水素化合物における高温超伝導の第一原理シミュレーション」

私たちは、 単純で普遍的な方程式から多種多様な物質の結晶構造や物性を理論的に予測したり、 逆にすでに知られている物理現象を計算機で再現したりすることを通じて、 自然現象の本質を理解したいと思っています。 そのためのシミュレーション手法の開発それ自体も、 中心的な研究テーマのひとつです。