大規模分子系の励起状態に対するスケーラブルな定量的電子相関理論の開発

大规模分子系统中激发态的可扩展定量电子相关理论的发展

• 批准号: 05J11896
• 负责人: 倉重 佑輝
• 金额: $ 1.73万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2005
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2005 至 2007
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-05J11896/
• 关键词: 分子軌道法; 有限要素法; 実空間法; クーロン積分; ハートリーポテンシャル; 励起状態計算; 密度汎関数法; 光機能性材料; 平面波基底; リニアスケーリング

光機能性分子は化学的手法による光学特性の自由な制御が可能であり、分子レベルの設計が可能なナノ分子デバイス材料として期待される。光機能性分子の機能は特定の励起状態を経由し発現するため、励起状態のエネルギー準位、電荷分布、スピン状態等がその機能を決定づける。それゆえ光機能性分子の機構解明には定量的な励起状態計算法が必須となるが同時に、光機能性分子の計算では数百原子系対象とするため、大規模系にも対応できる方法でなければならない。現在、大規模分子の励起状態計算に最も現実的な方法は時間依存密度汎関数法である。この方法において最も計算時間を要する部分の一つはクーロン積分でありその計算量は系のガウス基底関数の総数N対してO(N4¬¬)にスケールし増加する。よって原子数を10倍に増やすと計算量は10,000倍にもなってしまうため現在計算可能な原子数は頭打ちとなっており、分子の大きさにそのまま比例するようなスケーリングの低い新たなクーロン積分法の開発が不可欠である。以上の背景から本年度は、昨年度中に開発したガウス型関数と有限要素の混合補助基底を用いてクーロン場を表現し、クーロン行列を高速に計算する新たな方法Gaussian and finite-element Coulomb(GFC)法の改良と、GFC法を用いた核座標エネルギー勾配計算の開発を行った。核座標エネルギー勾配計算は反応経路探索を行う上で不可欠な情報であり、大規模分子系に適用可能なGFC法を用いたエネルギー勾配の計算により、例えば生体分子の反応経路探索を行うことが可能になった.

光功能分子的光学性质可以通过化学方法自由控制，有望用作可在分子水平上进行设计的纳米分子器件材料。由于光功能分子的功能是通过特定的激发态来表达的，激发态的能级、电荷分布、自旋态等决定了其功能。因此，定量激发态计算方法对于阐明光功能分子的机理至关重要，但同时，由于光功能分子的计算涉及数百个原子的系统，因此该方法也必须适用于大规模系统。目前，计算大尺度分子激发态最实用的方法是瞬态密度泛函理论。该方法中需要最多计算时间的部分之一是库仑积分，相对于系统中高斯基函数的总数N，其计算量随着其缩放到O(N4-Ø)而增加。因此，如果原子数增加10倍，计算量就会增加10000倍，所以目前可以计算的原子数已经达到了峰值，而一个新的低标度库仑积分则直接需要制定与分子大小成正比的定律。在此背景下，今年我们将开发一种称为高斯和有限元库仑（GFC）的新方法，该方法使用我们去年开发的高斯函数和有限元的混合辅助基来表达库仑场，并计算库仑矩阵我们改进了方法并使用GFC方法开发了核坐标能量梯度计算。核坐标能量梯度计算是搜索反应路径所必需的信息，并且通过使用可应用于大规模分子系统的GFC方法计算能量梯度，可以搜索例如生物分子的反应路径。成为。

项目成果

Theoretical investigation of the excited states of coumarin dyes for dye-sensitized solar cells

• DOI: 10.1021/jp0720688
• 发表时间: 2007-06-28
• 期刊: JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY A
• 影响因子: 2.9
• 作者: Kurashige, Yuki;Nakajima, Takahito;Nishikitani, Yoshinori
• 通讯作者: Nishikitani, Yoshinori

The adaptive density partitioning technique in the auxiliary plane wave method

辅助平面波法中的自适应密度划分技术

• 发表时间: 2006
• 期刊: Chemical Physics Letters 417
• 作者: Y.Kurashige;T.Nakajima;S.Kurashige;K.Hirao;and Y.Nishikitani;Yuki Kurashige;Yuki Kurashige
• 通讯作者: Yuki Kurashige

Linear-scaling multipole-accelerated Gaussian and finite-element Coulomb method

线性缩放多极加速高斯和有限元库仑法

• 发表时间: 2008
• 期刊: J. Chem. Phys. 128
• 作者: M. A. Watson;Y. Kurashige;T. Nakajima;and K. Hirao
• 通讯作者: and K. Hirao

Gaussian and finite-element Coulomb method for the fast evaluation of Coulomb integral

用于快速计算库仑积分的高斯和有限元库仑法

• 发表时间: 2007
• 期刊: Journal of Chemical Physics (印刷中)
• 作者: Y.Kurashige;T.Nakajima;S.Kurashige;K.Hirao;and Y.Nishikitani;Yuki Kurashige
• 通讯作者: Yuki Kurashige

Gaussian and finite-element Coulomb method for the fast evaluation of Coulomb integrals

用于快速计算库仑积分的高斯和有限元库仑法

• 发表时间: 2007
• 期刊: Journal of Chemical Physics 126
• 作者: Y.Kurashige;T.Nakajima;K.Hirao
• 通讯作者: K.Hirao