Developing first-principles method for strongly interacting phonons and its application to exotic phenomena

开发强相互作用声子的第一原理方法及其在奇异现象中的应用

基本信息

批准号：
22KJ1028
负责人：
増木亮太
金额：
$ 1.6万
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：
2023
资助国家：
日本
起止时间：
2023-03-08 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

本年度は、フォノン多体効果を取り込んで有限温度における結晶構造を計算する理論開発、コード開発を行った。結晶構造は物質の性質を決める最も基本的な要素であるが、その定量的な予測は主にゼロ温度に限られており、格子振動の効果によって現れる有限温度の多彩な相を予測することは困難であった。我々は、フォノン間相互作用が非常に強い場合にも適用可能な理論である自己無撞着フォノン理論を拡張し、有限温度で結晶構造を最適化する定式化、プログラム開発を行った。我々はこれを、代表的な強誘電体であるBaTiO3に適用し、その3段階の構造相転移を再現することに成功した。この研究の成果はPhysical Review B誌から出版されている。フォノン間相互作用がより弱い物質において、結晶構造における有限温度効果は、熱膨張や対称性的に関連がない相の間の不連続な構造相転移として現れる。こうした物質の第一原理計算では、準調和近似とよばれる近似が用いられるが、計算量の観点から全ての自由度を最適化するのが難しく、求められる構造に制約がつくのが普通であった。我々は、自己無撞着フォノン理論に対して用いたアイデアを応用して準調和近似の範囲で全ての自由度を最適化することを可能にする方法論開発を行うとともに、適切な方法を用いることで、構造に制約をつけても考えている自由度の温度依存性をリーズナブルに計算できることを証明した。この成果をまとめた論文はPhysical Review B誌にアクセプトされている。

今年，我们进行了理论开发和代码开发，其中包含了声子多体效应，并在有限温度下计算了晶体结构。晶体结构是确定材料特性的最基本元素，但其定量预测主要限于零温度，因此很难预测有限温度的不同阶段，这些温度被晶格振动的影响所表现出来。我们已经扩展了自洽的声子理论，即使声子之间的相互作用非常强，并且开发了一种公式和程序，以在有限温度下优化晶体结构，该理论也可以应用。我们将其应用于典型的铁电的Batio3，并成功复制了三阶段的结构相变。这项研究的结果已由《物理评论B》发表。在具有较弱的声子相互作用的材料中，晶体结构中的有限温度效应似乎是热膨胀与对称不相关相之间的不连续的结构相变。在此类材料的第一个原理计算中，使用了称为准谐波近似的近似值，但是从计算复杂性的角度来看，很难优化所有自由度，并且通常限制所需结构。我们开发了一种方法，该方法允许在准谐波近似范围内优化所有自由度，通过应用用于自洽的声音理论的想法，并证明，即使在结构上约束，我们认为我们认为的自由度的温度依赖性可以在合理的水平上进行计算。总结了这一发现的论文已被《物理评论》杂志接受。