2022 年 1 ⽉ 6 ⽇
報道関係者各位
国⽴⼤学法⼈筑波⼤学
国⽴⼤学法⼈神⼾⼤学
国⽴研究開発法⼈科学技術振興機構（JST）「富岳」を⽤いた
１万超の原⼦を含むナノ物質の超⾼速光応答シミュレーションに成功

先端のレーザー技術を⽤いた光科学の研究では、極めて強く短いパルス光を物質に照射することにより、多くの新奇な現象が発⾒されています。これらの現象を理解するためには、光を照射した物質の内部で起こる、電⼦やイオンのミクロな運動を解明することが必要です。本研究では、スーパーコンピ
ュータ「富岳」を⽤い、１万を超える原⼦を含むナノ物質の光応答の第⼀原理計算に、世界で初めて成功しました。
物質に光を照射すると、振動する光の電場により、物質中の電⼦とイオンが揺すられます。この電⼦やイオンの運動が光の伝搬に影響し、光の屈折や反射が起こります。このような光科学現象を解明するには、光の電磁場、電⼦、そしてイオンの運動を、物質科学の第⼀原理計算法に基づき同時に記述することができるオープンソースソフトウェア SALMON による計算が有効です。本研究では、「富岳」の性能を⽣かした計算を⾏うため、理論物理学と計算機科学の研究者が密接に協⼒し、SALMON に対する⾼度なチューニングを⾏い、「富岳」の全システムのおよそ 1/6 を⽤いた 10 万以上のプロセスからなる並列計算により、約 6 ナノメートルの厚さを持つ酸化ケイ素ガラスの薄膜と⾼強度なパルス光の⾮線形光応答を調べることに成功しました。

研究代表者
筑波⼤学計算科学研究センター
⽮花 ⼀浩 教授
神⼾⼤学⼤学院⼯学研究科電気電⼦⼯学専攻
植本 光治 助教

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研究の背景光と物質の相互作⽤を⽤いた研究は、基礎と応⽤の両⾯で急速に発展しています。特に、2018 年にノーベル物理学賞の対象となった、強くて短いパルス光注１）を作るレーザー技術や、ナノメートルサイズの微細な物質と光の相互作⽤は、それぞれ、アト秒科学注２）や⾮熱レーザー加⼯、ナノ光学やプラズモニク
ス注３）などの新しい分野を切り拓いています。
光は、電場と磁場が振動しながら伝搬する電磁波です。光を物質に照射すると、光の電場により物質中の電⼦とイオンが揺すられます。この電⼦やイオンの運動が光の伝搬に影響し、光の屈折や反射が起こります。このような光科学現象を解明するためには、光が照射した物質中で起こる電⼦やイオンの運動を精密に調べることができる、計算科学の⽅法が有効です。
光により揺すられた電⼦やイオンのミクロな運動は、物質科学の第⼀原理計算注 4）の⽅法を⽤いて正確に記述することができます。本研究グループはこれまで、⾮常に短い時間で起こる電⼦の運動や物質中の光の伝搬を第⼀原理計算法によって計算するオープンソースソフトウェア SALMON 注 5）の開発において、中⼼的な役割を担ってきました。第⼀原理計算は⼤きな計算リソースを必要とするため、スーパーコンピュータの利⽤が不可⽋です。昨年 3 ⽉から本格的な稼働が始まった「富岳」注 6）を⽤いると、これまでにない⼤規模な計算が可能であり、光科学の分野でも⼤きな発展が期待されます。本研究では、SALMONを⽤いた計算を「富岳」で⾏い、世界で初めて、1 万を超える原⼦で構成されるナノ物質の光応答の計算に成功しました。
研究内容と成果
光と物質の相互作⽤（参考図）には、さまざまな物理法則が関わり、光の伝搬、電⼦の運動、イオンの運動は、それぞれ異なる⽅程式で記述されます。SALMON では、電⼦軌道や光電磁場のポテンシャルを３次元空間格⼦を⽤いて表し、これらの⽅程式を同時に解き進めることができます。
また SALMON では、真空中に孤⽴した原⼦や分⼦、周期的な結晶、そしてナノメートルスケールの構造体など、さまざまな形状の物質と光の相互作⽤を調べることができます。物質の表⾯やナノメートルサイズの構造体、そして不純物や⽋陥のある結晶を調べるには、少なくとも数⼗から数百の原⼦を含む物質に対する計算が必要になり、スーパーコンピュータを⽤いた計算が必要です。１辺が 10 個の原⼦からなる⽴⽅体のナノ構造体は 1,000 個の原⼦を含みますが、現実に作成されるナノ物質はさらに⼤きなサイズの場合がほとんどであり、数千を超える原⼦からなる物質の計算が求められています。
今⽇のスーパーコンピュータは多数の CPU で構成されており、これらを同時に効率的に利⽤する並列化が必要とされます。特に、15 万以上の CPU を搭載した「富岳」の性能を活かすためには、⾼度なチューニングが必要です。本研究では、筑波⼤学計算科学研究センターに所属する理論物理学の研究者と計算機科学の研究者の密接な協⼒のもと、極めて⾼い計算性能を SALMON で実現しました。今回の計算では、「富岳」の全システムのおよそ 1/6 にあたる 27,648 ノード（CPU）を⽤い、その４倍の 10 万以上の MPI
プロセス注 7)を⽤いて、最⼤で 13,632 原⼦からなる物質の光応答計算を⾏いました。これまでの類似した計算では約 6,000 原⼦からなる物質が最⼤で、本研究により、世界で初めて、1 万を超える原⼦を含む物質に対する計算が可能になりました。
本研究で扱ったのは、アモルファス状のガラス(SiO2)の薄膜にパルス光が垂直に⼊射する場合の計算です。厚さ 6 ナノメートルのナノ薄膜は、1 万以上の原⼦を含みます。極めて⾼い強度のパルス光を⼊射させた計算から、ガラスが透明ではなくなり、光の吸収が起こることが⾒いだされました。これは、⾼強度レーザーを⽤いたガラス加⼯の初期過程に相当します。また、反射波や透過波には、⼊射光の振動数の数倍から数⼗倍の振動数を持つ⾼次⾼調波の発⽣が確認できました。このように、パルス光の照射で起こ2る超⾼速・⾮線形現象を、計算科学によって、実験の状況そのままにシミュレーション可能であることが確かめられました。
今後の展開
SALMON は、光のパルス波形や振動数、物質の種類や形状を⾃由に設定して計算することで、最先端の光科学実験を丸ごと計算機の中でシミュレーションする数値実験室の役割を果たします。このようなシミュレーションは、実験の前に結果を予測したり、実験を⾏うことが困難な条件下での現象を調べることや、直接実験で測定することが難しいミクロな空間での電⼦やイオンの運動がもたらす現象の解明に役⽴ちます。
今後、「富岳」をはじめとするスーパーコンピュータを⽤いた計算を多様な光科学現象に対して⾏い、原⼦レベルから現象を解明することの有効性を⽰すことで、SALMON が世界標準のソフトウェアとして広く利⽤されることを⽬指します。
参考図

図 光と物質の相互作⽤のイメージ。多数の原⼦からなる物質（SiO2）の表⾯に、パルス光が⼊射し、光のエネルギーが表⾯の電⼦やイオンに移⾏する様⼦を表している。
⽤語解説
注１）

強くて短いパルス光

光の電場の⼤きさが、物質中で電⼦に働く電場の⼤きさと同程度のとき、「強い光」と呼ぶ。また、パルス光の時間の⻑さが、電⼦が原⼦を１周するのにかかる時間と同程度のとき、「短い光」と呼ぶ。
注２）-18

10アト秒科学秒（アト秒）レベルの極めて短いパルス光（アト秒パルス）を⽤いて、物質中の電⼦の運動を調べ制御する科学技術のこと。電⼦が原⼦の中を１周するのにかかる時間は 100 アト秒程度で、先端の光科学では、これよりも短いパルスの光波を作ることが可能となっている。
3注３）

プラズモニクス

ナノメートルサイズの⾦属のナノ構造体に光を照射して起こる電⼦の運動を⽤いて、光の伝搬を制御する技術。⾦属ナノ構造体を周期的に配列した⼈⼯物質を⽤いると、広い⾯積で光を操作することができる。
注４）

第⼀原理計算物質に含まれる原⼦の数や種類を指定することにより、量⼦⼒学に基づいて電⼦の状態を計算し、物質の構造や性質を調べる⽅法。多くのソフトウェアが開発され、物理学や化学、材料⼯学の分野で⽤いられている。
注５）

SALMON

Scalable Ab initio Light-Matter simulator for Optics and Nanoscience（光学とナノ科学のためのスケーラブルな⾮経験光−物質シミュレータ）の略。 ウェブページ（https://salmon-tddft.jp）から、ダウンロード可能。
注６） スーパーコンピュータ「富岳」
スーパーコンピュータ「京」の後継機として理化学研究所に設置された計算機。令和 2 年 6 ⽉から令和 3 年 11 ⽉にかけてスパコンランキング 4 部⾨で 1 位を 4 期連続で獲得するなど、世界トップの性能を持つ。令和 3 年 3 ⽉ 9 ⽇に本格運⽤開始。
注７） MPI プロセスMPI は、Message Passing Interface の略。多数の計算ノードからなる計算機で⾏う計算で、異なる計算ノードが保有するメモリの間でデータをやり取りしつつ計算を⾏う個々の処理過程のこと。
研究資⾦
本研究は、科学技術振興機構(JST) 戦略的創造研究推進事業 CREST の研究課題「光・電⼦融合第⼀原理ソフトウェアの開発と応⽤」（JPMJCR16N5）、⽂部科学省 ポスト「京」重点課題７「次世代の産業を⽀える新機能デバイス・⾼性能材料の創成」（hp190193）、および⽂部科学省 光・量⼦⾶躍フラッグシッププログラム(Q-LEAP)「次世代レーザーイノベーション拠点」（JPMXS0118068681）の⽀援を受けて⾏われました。
掲載論⽂【題 名】 Large-scale ab initio simulation of light-matter interaction at the atomic scale in Fugaku(富岳における光と物質の相互作⽤に対する原⼦スケールでの⼤規模⾮経験シミュレーション)【著者名】 Yuta Hirokawa, Atsushi Yamada, Shunsuke Yamada, Masashi Noda, Mitsuharu Uemoto,Taisuke Boku, and Kazuhiro Yabana【掲載誌】 International Journal of High Performance Computing Applications【掲載⽇】 2022 年 1 ⽉ 2 ⽇（オンライン掲載）【DOI】

https://doi.org/10.1177/10943420211065723

問合わせ先【研究に関すること】
⽮花 ⼀浩（やばな かずひろ）
筑波⼤学計算科学研究センター 教授
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嶋林 ゆう⼦（しまばやし ゆうこ）
科学技術振興機構 戦略研究推進部 グリーンイノベーショングループ
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