新学術領域研究「高温高圧中性子実験で拓く地球の物質科学」 (領域代表:八木健彦)
計画研究「高圧下における含水鉱物、マグマ、水の量子シミュレーション」(計算班)

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メンバーに関する記事
メンバーによる成果
論文
[2010]
- [NEW] Guoying
Gao, Artem R. Oganov, Peifang Li, Zhenwei Li, Hui Wang, Tian Cui,
Yanming Ma, Aitor Bergara, Andriy O. Lyakhov, Toshiaki Iitaka, and
Guangtian Zou, "High-pressure crystal structures and superconductivity
of Stannane (SnH4)", PNAS 107, 1317 (2010). (journal)
- [NEW] Yoshinori
Katayama, Takanori Hattori, Hiroyuki Saitoh, Takashi Ikeda, and
Katsutoshi Aoki, "Structure of liquid water under high pressure up to
17 GPa", Phys. Rev. B 81, 014109 (2010). (journal)
- [NEW] Jianjun Yang,
John S Tse and Toshiaki
Iitaka,
"First-principles studies of liquid lithium under pressure", J. Phys.:
Condens. Matter 22, 095503 (2010). (journal)
- [NEW] T. Fujiwara, T. Hoshi, S. Yamamoto, T.
Sogabe and S-L. Zhang, "Novel algorithm of large-scale simultaneous
linear equations", J. Phys.: Condens. Matter 22, 074206 (2010). (journal)
[2009]
- Toshiaki Iitaka,
"GPU-accelerated large-scale quantum molecular
dynamics simulation of 3-dimensional C60 polymers", (arXiv:0910.4497).
- Takeo Hoshi, Toshiaki Iitaka, Maria
Fyta, "Large scale simulation
of quantum-mechanical molecular dynamics for nano-polycrystalline
diamond",(arXiv:0908.4469).
- Y. Yao, J. S. Tse, J. Sun, D. D. Klug, R. Martoňák, and T.
Iitaka, Comment
on “New Metallic Carbon Crystal”, Phys. Rev. Lett. 102, 229601
(2009).
- J. Tsuchiya, and
T. Tsuchiya, 2009 Elastic properties of
d-AlOOH under pressure: first principles investigation, Phys. Earth
Planet. Inter, in press., doi:10.1016/j.pepi.2009.01.008.
- J. Tsuchiya,
and T. Tsuchiya, 2009 First-principles
investigation of the structuraland elastic properties of hydrous
wadsleyite under pressure, J. Geophys. Res., 114, B02206, doi:10.1029/2008JB005841.
- Kenji Kawai, Taku Tsuchiya, Jun Tsuchiya, Shigenori
Maruyama, "Lost primordial continents", Gondwana Research 16, 581
(2009). (journal)
- T. Sogabe , T. Hoshi,
S.-L. Zhang , T. Fujiwara, "On an application of the QMR_SYM method to
complex symmetric shifted linear systems", Proc. Appl. Math. Mech. 7,
2020081 (2009). (journal)
- T. Hoshi and T.
Fujiwara, "Development of simulation package 'ELSES' for
extra-large-scale electronic-structure calculation", J. Phys.: Condens.
Matter 21, 064233(2009). (journal)
その他
- グラファイト⇒ダイアモンド転移(飯高ら、ELSES使用)(mpeg)
- 星健夫ら「多結晶ナノダイアモンドの大規模量子シミュレーション」、 第49回高圧討論会 (2008)。(要旨)
研究目的
水素は次世代エネルギーとして注目されているのみならず、地球形成史に大きく関わってきた重要元素である。原始地球の形成過程においては、地球の表面が高
温の溶融状態(マグマオーシャン)になり大量の水(水素)を貯蔵し水圏の形成に大きな役割を果たした可能性がある。現在の地球においては、水素は水
(H2O)や含水鉱物(OH基)などの化合物、あるいは無水鉱物やマグマに侵入した不純物として存在する。水(水素)の存在は鉱物やマグマの構造や融点・
粘性・反応性などの物性に大きな影響を与えるので、そのメカニズムの原子レベルでの理解は地球形成史、地球深部ダイナミクスや火山噴火の解明に本質的な役
割を果たすが、X線回折実験では水素の直接観測は困難であった。そこで本新学術領域研究(領域代表:八木健彦)では東海村J-PARCの次世代大強度パルス中性子源に高温高圧実験用ビームラインを建設し、地殻か
ら下部マントル最上部相当の高温高圧下におけるマグマ、鉱物中の水素(水)の役割を解明しようとしている。
本計画研究では、最先端の量子シミュレーションを駆使することにより、地表環境から高温高圧領域までの鉱物、マグマ、水の構造と物性に対する水素や水素結
合の影響、及び高圧力下での中性子散乱実験を発展させる新素材「多結晶ナノダイアモンド」の物性を明らかにすることを研究目的とする。本計画研究の成果
は、実験の指針を探り実験結果を包括的理論的に理解するとう点において本領域実験各班
の遂行に大きく貢献すると期待される。
本計画研究のメンバーは、定温定圧第一原理
分子動力学法、第一原理線形応答理論、第一原理経路積分分子動力学法、オーダーN第一原理分子動力学法、オーダーN tight binding
分子動力学法、遺伝アルゴリズムによる第一原理結晶構造予測法など、本研究に必要な最先端の量子シミュレーション手法の実行環境を既に開発し利用して、鉱
物・高圧・材料などの物質科学分野で目覚しい成果を上げている。我々は、中性子散乱を用いる実験家と連携して水素含有地球物質の量子シミュレーションを強
力に推進することにより、地球を探る計算物質科学・地球に学ぶ計算物質科学の分野を切り開いていきたいと熱望している。
研究計画
これまで本計画研究のメンバーが開発してきた最先端の量子シミュレーション手法を展開し、高温高圧力下での鉱物、マグマ、水の構造と物性の変化の解明を目
指した計算物質科学を強力に推進する。
特に平成20年度には本計画の計算を実行するPCクラスターを導入し、各種量子シミュレーションプログラムをインストール・調整し、5年間に渡る計画研究
のための基盤を立ち上げる。
平成20年度から平成22年度にかけての高温高圧中性子散乱ビームラインが稼動するまでの期間には、上記PCクラスターを駆使し、本研究領域のターゲット
である鉱物、マグマ、水、多結晶ナノダイアモンドの高圧物性に関する量子シミュレーションによる研究を積極的に行なう。ここで得られる研究成果は、本領域
研究の実験班の重要な研究指針となるに違いない。具体的には、①高圧安定含水相探索、水素位置の精密決定、物性予測 ②高圧下でのマグマの構造、溶融関
係、物性の予測 ③高圧下
の水の液体構造と物性の解明 についての研究を行う。さらに上記3研究に加え、次世代アンビルの素材として期待される多結晶ナノダイアモンドの塑性変形機
構等の解明にも研究を発展させる。
平成23年度と平成24年度には高温高圧中性子散乱ビームラインが稼動する計画なので、それまでに得られた研究の成果を
実験班と共有するとともに、これと並行して実験班の研究成果を本計画研究にフィードバックすることにより、上記研究のさらなる展開を図る。
公募研究
計画研究A02では、平成23年頃から本格化する予定の高圧中性子実験に先立って最先端の量子(古典)シミュレーションを駆使して実験の指針を探り、実験
結果と対比しながら現象を包括的に理解することを目指すが、本年度は関連する公募研究を募集する。計画研究の内容に加えて間隙水や液体一般、複雑ナノ構造
物質など各種物質の高圧物性の解明を目指す理論研究、さらには新実験を提案する理論研究を期待する。一人の研究者による2年間の研究を公募する。年度当た
りの応募額は100万円以下とし採択目安件数は1件程度を予定している。
リンク
学
術創成研究 強力パルス中性子源を活用した超高圧物質科学の開拓
J-PARC|大強度
陽子加速器施設
J-PARC News
日
本高圧力学会
AIRAPT22
日本地球惑星科学連合大会 K213中性子散乱による地球惑星科学の新
展開
(株)日本中性子光学
HaRiken09
Harvard-Riken Joint Symposium: Application of GPU Computation to Brain
Science, Quantum Science, Astronomy, Fluid Dynamics and other sciences