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」
(2008年11月13日~2013年3月31日,領域代表:八
木健彦) [English]
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)
メンバー
研究目的
研究計画
論文
リンク
新
学術領域公式ホームページ
J-PARC:: 超
高圧中性子回折装置(PLANET)
服部高典 佐野亜沙美
小
松一生
Water Workshop @
RIKEN.jp (Oct. 11, 2011)
Water
Workshop @IAMS.tw (Oct. 13-16, 2011)
計算班メ
ンバー(50
音順)
圓
谷貴夫(連携研究者;理化学研究所・加藤分子物性研究室)
分子性結晶の高圧物性
公募班(山本班)「第一原理計算による地球マントル物
質に及ぼすプロトン存在の影響に関する研究」
公募班(長柄班)「水素化物および水の超高圧縮相と金
属転移:GW近似計算」
メンバーによる成果
論文
[2014]
- [NEW] Taku Okada, Toshiaki Iitaka, Takehiko
Yagi, Katsutoshi Aoki, "Electrical conductivity of ice VII", Sci. Rep.
4, 5778 (2014). (journal)
(pubmed) (movie)
[2013]
- Toshiaki Iitaka, "Is the ice inside the
planet salty?", Ensemble, 15(3),168-171 (2013). (journal)
*飯高敏晃、「氷天体深部の氷はしょっぱいか」、アンサンブル(ISSN1884-6750)、15(3),168-171 (2013). (journal)- Toshiaki
Iitaka, "Simulating proton dynamics in high pressure ices", The Review
of High Pressure Science and Technology, 23 (2), 124-132 (2013). (journal)
*飯高敏晃、「氷高圧相におけるプロトンダイナミクス・シミュレーション」,高圧力の科学と技術(ISSN: 1348-1940), 23 (2),
124-132 (2013). (journal)- Toshiaki
Iitaka, "Proton dynamics in high pressure ices", Low
Temperature Science, 71, 121-124 (2013) [in Japanese]. (journal)
*飯高敏晃、「氷高圧相におけるプロトンダイナミクス」, 低温科学(ISSN1880-7593), 71, 121-124
(2013). (journal)
[2012]
- Zhi Li, Toshiaki Iitaka, and
Takami Tohyama, "Pressure-induced ferromagnetism in cubic perovskite
SrFeO3 and BaFeO3", Phys. Rev. B 86, 094422 (2012) . (journal,
preprint)
- Jingyun Zhang, Jer-Lai
Kuo, Toshiaki Iitaka,
"First principles
molecular dynamics study of filled ice hydrogen hydrate", J. Chem.
Phys. 137, 084505 (2012). (journal, pdf, preprint)
- Read also expmerimental
paper:
Hisako Hirai et al., "Structural
changes of filled ice Ic hydrogen hydrate under low temperatures and
high pressures from 5 to 50 GPa ", J. Chem. Phys. 137, 074505 (2012). (journal)
- Zhi Li, Robert
Laskowski, Toshiaki Iitaka,
Takami Tohyama, "First-principles calculation of
helical spin order in iron perovskite SrFeO3 and BaFeO3", Phys. Rev. B
85, 134419 (2012). (journal,
preprint)
- Hui Wang , John S Tse , Kaori Tanaka , Toshiaki Iitaka , Yanming
Ma, "Superconductive "sodalite"-like clathrate calcium hydride at high
pressures", Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) 109,
6463-6466 (2012). (journal, preprint)
- T.
Hoshi, S. Yamamoto, T. Fujiwara, T. Sogabe, S.-L. Zhang, "An
order-N
electronic structure theory with generalized eigenvalue equations and
its application to a ten-million-atom system", J. Phys.;
Condensed
Matter (in press).
[2011]
- J.Yang, J.S. Tse, T.Iitaka, "First-principles
study of liquid gallium at ambient and high pressure", J. Chem.
Phys. 135, 044507 (2011). (journal) (Melting
Gallium Spoon!)
- Z.Li, J.S.Tse, S.You,
C.Q.Jin, T.Iitaka,
Electronic and magnetic structure of the high
pressure phase of Li2CuO2, International Journal of Modern Physics B
25, 3409-3414 (2011). (journal)
- H. Dekura, T. Tsuchiya, J.
Tsuchiya, "First-principles prediction of post-pyrite phase
transitions in germanium dioxide", Phys. Rev. B 83, 134114 (2011). (journal)
- T. Ishikawa, J. Tsuchiya, T. Tsuchiya,
"Stacking-disordered phase of iron in the Earth’s inner core from first
principles", Phys. Rev. B 83, 212101 (2011). (journal)
- H. Dekura, T. Tsuchiya, Y. Kuwayama and J. Tsuchiya, Phys. Rev.
Lett. 107, 045701 (2011). (journal)
- Jun
Tsuchiya, and Taku Tsuchiya, "First-principles prediction of a
high-pressure hydrous phase of AlOOH", Phys. Rev. B 83, 054115 (2011) .
(journal)
- H. Teng, T. Fujiwara, T. Hoshi, T. Sogabe, S.-L.
Zhang, S. Yamamoto,"Efficient and accurate linear algebraic methods for
large-scale electronic structure calculations with nonorthogonal atomic
orbitals", Phys. Rev. B 83, 165103 (2011). (journal)
- Hidekazu Tomono, Masaru
Aoki, Toshiaki Iitaka
and Kazuo Tsumuraya, Implementation of GPU-FFT
into Planewave Based First Principles Calculation Method, Journal of
Computational
Science and Technology, 5 (3), 89-105 (2011). (journal)
[2010]
- Wai-Leung Yim, John S.
Tse, and Toshiaki Iitaka,
"Pressure-Induced Intermolecular Interactions in Crystalline
Silane-Hydrogen", Phys. Rev. Lett. 105, 215501 (2010).(journal)
- Meiguang Zhang, Hui Wang, Hongbo Wang, Xinxin Zhang, Toshiaki
Iitaka and Yanming Ma, “First-Principles Prediction on the
High-Pressure Structures of Transition Metal Diborides (TMB2, TM = Sc,
Ti, Y, Zr)”, Inorg. Chem. 49, 6859 (2010). (journal)
- Toshiaki Iitaka,
"Stability of ferroelectric ice", (arXiv:1007.1792). (IceXI) (neutron) (PCI)
- Kenta Hongo,
Mark A. Watson, Roel S. Sanchez-Carrera, Toshiaki Iitaka, and Alan
Aspuru-Guzik, "Failure of Conventional Density Functionals for the
Prediction of Molecular Crystal Polymorphism: A Quantum Monte Carlo
Study", J. Phys. Chem. Lett. 1, 1789–1794 (2010). (journal) (HaRiken09).
- Toshiaki Iitaka,
"GPU-accelerated large-scale quantum molecular
dynamics simulation of 3-dimensional C60 polymers", J. Phys.: Conf.
Ser. 215,012119 (2010). (arXiv:0910.4497) (journal)
(references)
- Takeo Hoshi, Toshiaki
Iitaka, Maria Fyta, "Large scale simulation
of quantum-mechanical molecular dynamics for nano-polycrystalline
diamond", J. Phys.: Conf. Ser. 215, 012118 (2010).(arXiv:0908.4469) (journal).
- M Aoki, H Tomono, T
Iitaka and K Tsumuraya, "Acceleration of
orbital-free first principles calculation with graphics processing unit
GPU", J. Phys.: Conf. Ser. 215, 012118 (2010). (journal)
- H Tomono, M Aoki, T
Iitaka and K Tsumuraya, "GPU based
acceleration of first principles calculation ", J. Phys.: Conf. Ser.
215, 012118 (2010). (journal)
- Takashi Ikeda, Yoshinori Katayama,
Hiroyuki Saitoh, and Katsutoshi Aoki,
"Communications: High-temperature water under pressure", J. Chem. Phys.
132, 121102 (2010). (journal) (press
release)
- 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)
- 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)
- Jianjun Yang,
John S Tse and Toshiaki
Iitaka,
"First-principles studies of liquid lithium under pressure", J. Phys.:
Condens. Matter 22, 095503 (2010). (journal)
- 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]
- 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 174, 122(2009), (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
メンバーに関する記事
研究目的 ( HOME (English with
subtitles) )
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。
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
服部高典 (J-PARC)