場の量子論に基づく時間発展シミュレーションによる局所量子物性の理論的研究

基于量子场论的时间演化模拟对局域量子物理性质的理论研究

基本信息

批准号：
14J02866
负责人：
福田将大
金额：
$ 1.09万
依托单位：
Kyoto University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2014
资助国家：
日本
起止时间：
2014-04-25 至 2016-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究は第一原理計算的な相対論的電子状態から場の量子論に基づく電子スピンに関する力学的な局所物理量を計算し、その基礎的な性質を理解するための理論構築とプログラム開発を推進するものである。前年度開発したプログラムコードをアルゴリズムの改善と並列化により高速化し、それを用いて多原子分子に対してスピントルク密度などの局所物理量計算を行った。その結果、分子軌道ごとの局所物理量の分布から、軌道エネルギーにはほとんど影響を与えない相対論的な相互作用が局所描像に対しては強い影響を与えることが明らかとなった。さらに、スピンの渦度に注目し、スピンホール効果が力学的な描像という新しい観点から理解されることを明らかにした。分子内部における電子の電気双極子モーメントに起因するスピントルク密度に関して場の量子論に基づいたスピンダイナミクスの観点から理論的研究を行い、強い内部電場を持つYbF, ThO, BaFなどの分子に対してEDM有効電場やEDMの存在によって追加されるスピントルクの寄与を第一原理計算によって明らかにした。また、光の遅延効果を含む量子電磁力学に基づく数値シミュレーションの実現に向けて、計算手法の定式化とプログラムコード開発に取り組んだ。遅延ポテンシャルまで考慮する場合には静電ハミルトニアンを用いる量子化学計算には現れなかった２つの積分項を計算する必要がある。これらの積分項は解析的に計算が困難であり、また被積分関数が激しく振動するため通常の数値積分法では計算の収束が困難となる問題がある。これらの積分項の数値積分を効率的に行うために、大浦と森によって提案された二重指数関数型数値積分公式を用いる手法を考案した。

这项研究利用第一性原理计算，基于量子场论从相对论电子态计算与电子自旋相关的机械局域物理量，并促进理论构建和程序开发，以了解其基本性质。我们通过改进算法和并行化来加速去年开发的程序代码，并用它来计算局部物理量，例如多原子分子的自旋扭矩密度。因此，从每个分子轨道的局部物理量的分布可以清楚地看出，对轨道能量影响很小的相对论相互作用对局部图像有很大的影响。此外，我们还重点关注了自旋涡度，并阐明了可以从动态图像的新角度来理解自旋霍尔效应。基于量子场论，我们从自旋动力学的角度对分子内部电子电偶极矩引起的自旋扭矩密度进行了理论研究，研究了YbF、ThO、BaF等具有强内电场的分子。通过第一性原理计算阐明了 EDM 有效电场和 EDM 存在所增加的旋转扭矩的贡献。我们还致力于制定计算方法和开发程序代码，以实现基于量子电动力学的数值模拟，包括光的延迟效应。在考虑延迟电势时，需要使用静电哈密顿量来计算量子化学计算中未出现的两个积分项。这些积分项在分析上难以计算，并且被积函数剧烈振荡，使得使用普通数值积分方法难以收敛计算。为了有效地对这些积分项进行数值积分，我们设计了一种使用Oura和Mori提出的双指数函数型数值积分公式的方法。