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.

光功能分子可以通过化学技术自由控制，预计将是可以在分子水平设计的纳米分子装置材料。由于光功能分子的功能通过特定的激发态表达，因此激发态的能级，电荷分布，自旋状态等决定其功能。因此，定量激发态计算方法对于阐明光功能分子的机制至关重要，但与此同时，由于光功能分子的计算受数百个原子系统的影响，因此它必须是一种可以容纳大型系统的方法。当前，大规模分子激发态计算的最现实方法是时间依赖性密度函数方法。在此方法中需要最多计算时间的部分之一是库仑积分，而计算复杂性通过将系统总函数的总数缩放到O（n4月份）来增加。因此，如果原子的数量增加了10倍，则计算量将为10,000次，因此可以计算的原子数现在处于平稳状态，并且必须开发一种新的colomb积分方法，该方法与分子的大小直接成比例。基于上述背景，今年，我们改善了高斯和有限元素库仑（GFC），这是一种新方法，该方法使用高斯型函数的混合辅助基础表达库仑场，并在去年开发的高斯型函数和有限元素，并使用GFC方法开发了核协调能量梯度的计算。核坐标能量梯度计算是搜索反应路径的重要信息，并通过使用GFC方法计算能量梯度，该方法可以应用于大规模分子系统，例如，可以搜索生物分子的反应路径。

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