Waseda Research Institute for Science and Engineering早稲田大学 理工学術院総合研究所

プロジェクト研究

インフォマティクスと融合させた高精度・高効率な相対論的量子化学理論の開発(3期目)

Development of accurate and efficient relativistic quantum-chemical theory combined with informatics
  • 研究番号:19C06
  • 研究部門:science
  • 研究種別:奨励研究
  • 研究期間:2019年04月〜2020年03月

代表研究者

清野 淳司 理工総研が募集する次席研究員
SEINO Junji Researcher

理工学術院総合研究所 中井 浩巳研究室
Research Institute for Science and Engineering

研究概要

本研究では相対論的量子化学とインフォマティクスを融合し、高精度化・高速化を達成することで、より実用性の高い量子化学計算手法とすることを目的とする。これにより実社会で求められているメソスケール領域まで踏み入れることができる相対論的量子化学計算を実現させる。さらに開発する手法が導入された、独自の相対論的量子化学計算プログラムRAQETを用いて、本プロジェクト内での企業と共同研究を通して、材料設計・開発が加速されることを示す。最終的には産業界に根付かせることを目標とする。

具体的に本研究では、これまで我々が開発してきた機械学習による運動エネルギー汎関数を用いた密度汎関数理論(DFT)の実用化に向けて、種々の数値検証、理論開発、および相対論効果を考慮した手法への拡張を行う。このためには、運動エネルギー汎関数を表現する記述子と化学結合/分子物性の記述に対する関係性の検証、原子・分子など局在系のための軌道を用いないDFTの理論開発、相対論的な運動エネルギー項に対する拡張、などが不可欠である。また様々な観点から実用的な精度で記述できることが確認された後に、オンライン学習を用いた膨大なデータの逐次学習により、任意の局在分子系に対して適用できる汎用的な運動エネルギー汎関数を構築するシステムを開発する。

2018年度までに、以下の4つの研究を遂行した。(1) インフォマティクスを用いて実用性の高い運動エネルギー汎関数を構築する手法を確立し、従来の汎関数よりも高い精度で分子の運動エネルギーを予測できることが示された。(2) 電子密度情報だけでなく、原子核からの距離情報も記述子に加えることで、分子に対するポテンシャルエネルギー曲線を再現でき、化学結合が記述できることを示した。(3) 運動エネルギー汎関数の電子密度に対する微分である、運動ポテンシャルについても同様の手順で汎関数を構築し、参照となるKohn-Sham (KS-)DFTの結果を高い精度で再現した。(4) 局在化ガウス型基底関数を用いた軌道非依存(OF-)DFTの計算手法を確立することで、対象となる分子に対して最適な電子密度を与える手法を開発した。これらの研究により、KS-DFT計算と同様の情報量(分子の全エネルギーと電子密度)を与えることができる段階まで達成した。

年次報告

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