特別講演

産業競争力の鍵を握る
プロセスインフォマティクスの展開と

スパコン

富岳

の役割

Process informatics as a key technology forstrengthening the industrial competitiveness andthe role of supercomputer Fugaku

天野 浩
名古屋大学
未来材料･システム研究所

001

金属ガリウム (Ga) と窒素 (N) からなる化合物

次に、プロセスインフォマティクスの重要性に半導体 GaN は青色 LED で有名になったが、発ついて説明する。2050 年までに政府目標であ

光のみならず、電力の制御や無線通信などへの応用にる温室効果ガス排出 80％減を実現するためには、再生関して、Si や GaAs など従来の半導体材料と比して圧可能エネルギーを中心とした社会システムへの転換が必

倒的に優れた物性を有する。そのため青色 LED として要である。その実現には電力網の刷新、および時々刻々ばかりでなく、大電力駆動と高速動作を両立した次世と変わる発電・需要に的確に対応し判断を下す制御用

代省エネパワーデバイスや超大容量無線通信用高周波

AI チップ、および瞬時に発送電を制御可能なインテリ

デバイスなどへの応用が期待されている。

ジェントな電力モジュールが用いられる。そのために次コンピュータ関連で説明すると、例えば 2030 年次世世代 AI チップ製造、および SiC や GaN などハイパワー

界のデータサーバーの予測電力消費量は 1200TWh、用新規半導体材料を用いた新しいスイッチングデバイス

このうち、従来の Si 系トランジスタを用いた電源を GaNの社会実装を急ぐ必要がある。

系トランジスタを用いた電源に置き換えると 2％程度、

そのため、マテリアルズインフォマティクスに加えて、24TWh の節電が 可能、CO₂ 排出量では 13.4Mt の削プロセスインフォマティクスの構築が急がれる。ビック減である。スパコンの使用で電気料金の増加に後ろめ

データを用いたマテリアルズインフォマティクスは、世界たさがあるのであれば、GaN 系の開発はそれを補って有的にはアメリカや中国、日本でも物質・材料研究機構等

り余るほどの効果を得ることができる、と言える。

を先頭に進められている。しかし、実際に社会実装して社会システムを根底から変えるには、マテリアルズイ

最後に「富岳」への期待を説明する。新しいンフォマティクスによる材料の選定後、いかにそれを製AI チップ製造や新規半導体材料製造装置の設造するか、というプロセスインフォマティクスの構築が欠計・製造に AI 技術を取り入れる場合、1）
正確な実験デー

かせない。

タ、2）
正確な結晶成長シミュレーション手法、3）
正確なシミュ

我々は、文部科学省 省エネルギー社会の実現に資

レーションによって得られるビックデータ、
および4）
ビックデー

する次世代半導体 研究開発プロジェクト および ポス

タを基に「どう作るか」を提案する AI 技術が必要である。

ト「京」プロジェクト を実 施しており、そのなかでデ1）については正確なデータを収集する実験研究者が必要

バイスの製 造 方 法である有 機 金 属化合 物 気 相 成長である。

（MOVPE）法による Ga N の 結晶 成長 過 程を 解 析し2）については、 省エネルギー社会の実現に資する次世代ている際に、プロセスインフォマティクスの重要性に

半導体研究開発プロジェクト および ポスト
「京」
プロジェ

気が付いた。従来は、Ga 原料であるトリメチルガリウ

クト の連携によって、GaN の MOVPE 成長において手法

ム（TMGa）と窒素原 料であるアンモニア（NH₃）は気開発と正確な反応決定に成功している。

相中で付加体、いわゆるアダクト（Ga（ CH₃）₃ : NH₃）を

3）
については、現在の「京」
レベルのスパコンでは、少数の形 成 し 、基 板 表 面 に 輸 送 さ れ 、徐 々 に 分 解 してデータは得られるがビッグデータは得られない。
「京」のG a N が 形 成され るというプ ロセスモデル が 信じら

100 倍のアプリケーション性能を目指す
「富岳」
により、は

れていた 。

じめてビッグデータが得られる。

ところが、このモデルでは、Ga が表面をマイグレー

これらに 4）の AI 技術が揃うと、結晶成長装置の短期間ションするという実験結果を説明できない。そこで、スでの正確な設計・製造が可能になり、世界に先駆けて AI

パコンを用いて反応プロセスを詳細に解析しなおしたとチップや新規半導体材料の結晶成長法の構築ができる。

ころ、TMGa は気 相中、単 独で Ga に分 解し、基 板表

市場規模に関して言えば、マテリアルズインフォマティク

面に輸送されることを確認した。従来と比べて 1000 倍

スは年間 1000 億円程度、一方、プロセスインフォマティク

以上の質量分解能を有する高分解能飛行型質量分析装スは、半導体市場全体の 54 兆円に加え、製造装置市場

置を用いて MOVPE 中の気相中その場観察を行ったとの 6.5 兆円、合計で年間 60 兆円以上の大きな市場が期待ころ、従来のモデルのような付加体はほとんど気相中かできる。

ら検出されず、TMGa は単独で分 解していることを実験的に確認した。

以上のように次世代半導体デバイス製造の点から、「富岳」ができるだけ早い時期に稼働することを期待している。

天野研究室：名古屋大学
http://www.semicond.nuee.nagoya-u.ac.jp/index.html
http://www.imass.nagoya-u.ac.jp/r̲introduction/amano̲lab.htm
https://www.chunichi.co.jp/article/shizuoka/tokai-news/CK2019052302000099.html

002

巻頭言

「富岳」
」
でひらく未来社会

CDMSI課題責任者

常行真司
東京大学
理学系研究科／物性研究所

スーパーコンピュータ「京」が 2012 年に共用開始して本プロジェクトでは、社会実装を加速させるため、下から７年を経た現在、「京」と同等かそれ以上の性能のス

記の点をプロジェクト実施ポリシーに据えて課題を推進

パコンが大学など複数の機関に設置され、超並列計算

しています。

環境がより身近になっています。また、機械学習やディー

1）開発アプリは公開し、プロジェクト外の方も PC からプラーニングなど AI 手法によるインターネット上の大規

スパコンまで幅広く利用できるように整備する。

模データの利用が進むにつれて、スパコンが生み出す大2）プロジェクト終了（2019 年度末）
までに、
「富岳」
を用い

規模データ自体の価値も注目されるようになり、AI を活た成果の社会実装に向けた研究推進体制を構築する。

用した課題解決の取り組みが、計算科学の各分野で活すでに、開発アプリの殆どを公開し、いくつかのアプ発になってきています。
グローバルに利用されている物質科学のアプリケー

います。また、公開アプリは物質科学計算ポータルサイ

ションソフトウェア（アプリ）の普及は欧米に先行されて

ト「MateriApps」に掲載し、物質科学関係者にアプリのいます。また、AI の取り組みにおいても、欧米や中国特徴を周知する仕組みを整えています。「MateriApps」の勢いへのキャッチアップが課題となっています。これの閲覧回数は毎月 1.5 万回にもなりますが、そのうちらを巻き返して、デバイス・材料分野における日本の産

25% は海外からアクセスされています。開発アプリを手学の国際競争力をより強化するためには、先端的な研究

持ちのパソコンで手軽に利用できるパッケージソフト

インフラとそれを活用した先端科学技術を、より早く社「MateriApps LIVE!」は、大学の講義や実習で使われ会実装する必要があります。

ているほか、海外からのダウンロード数も増えています。

本プロジェクトは、「京」で培った量子論に基づくシミュ
レーション手法や新しいマルチスケールシミュレーション

003

リは物性研や「京」、HPCI 等にプレインストールされてさらに、アプリ講習会を実施し、産学問わず利用者を増やす努力を行っています。

手法を、
「富岳」
（ポスト「京」）で飛躍させることが目的で

本シンポジウムでは、これまで開発してきたアプリのす。IT 社会の発展に不可欠な先端電子デバイスや高機紹介、そのアプリを「京」等で利用してこれまで創出され能物質・材料の究極的洗練化、新しい物理原理に基づた成果、そして、「富岳」で取り組む未踏領域の課題を紹く材料機能創出、将来のイノベーションの源泉となる学介します。参加者の皆様には、是非、アプリや取り組む

理の構築を行い、我が国の次世代産業・社会基盤の構課題に興味を持っていただければ幸いです。本シンポ築に寄与することを目指しています。さらに、AI とシミュジウムが、皆様とプロジェクトメンバーとの新たな協創

レーションを融合させた、新しい材料設計手法の開発にや、開発したアプリ利用による皆様の課題解決につながもチャレンジしています。

ることを期待しています。

004

ポスト
「京」
（スーパーコンピュータ「富岳」）重点課題❼ 第 5回シンポジウム

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（CDMSI）

プログラム

2019 年 8 月9日（金）会場：伊藤謝恩ホール

10:00

開会の辞

常行真司（東京大学・CDMSI課題責任者）

本紙掲載
ページ

プロジェクトで取り組む研究課題の成果をポスターで報告
10:00 ─ 10:30

フラッシュトーク（1分間のプレゼンテーション）

10:30 ─ 11:50

ポスターセッション（会場：多目的スペース）──────────────────────────

7＊ポスターは意見交換会終了時まで展示します。

11:50 ─ 13:00

休 憩

13:00 ─ 13:10

挨拶 文部科学省 ・ 五神 真（東京大学総長）・ 森 初果（東京大学 物性研究所長）

13:10 ─ 13:30

プロジェクト概説 常行真司（東京大学・CDMSI課題責任者）────────────────

3

座長 常行真司（東京大学）
13:30 ─ 14:30

特別講演：天野 浩（名古屋大学） ─────────────────────────────

1「産業競争力の鍵を握るプロセスインフォマティクスの展開とスパコン
『富岳』
の役割」
14:30 ─ 15:00

サブ課題 A 高機能半導体デバイス

押山 淳（名古屋大学）──────────────────────────────────── 11「第一原理物質計算と量子論デバイス・プロセスシミュレーション」

15:00 ─ 15:15

005

休 憩

座長：毛利哲夫（東北大学）
15:15 ─ 15:35

本紙掲載
ページ

サブ課題 B 光･電子融合デバイス

矢花一浩（筑波大学）─────────────────────────────────── 13「第一原理計算に基づく光科学ソフトウェアSALMONの開発と応用」
15:35 ─ 15:55

サブ課題 C 超伝導･新機能デバイス材料

今田正俊（早稲田大学）────────────────────────────────── 15「強相関電子系の超伝導、トポロジカル相」

座長：赤井久純（東京大学）
15:55 ─ 16:15

サブ課題 D 高性能永久磁石･磁性材料

三宅 隆（産業技術総合研究所）─────────────────────────────── 17「大規模シミュレーションと機械学習による永久磁石開発」
16:15 ─ 16:35

サブ課題 E 高信頼性構造材料

香山正憲（産業技術総合研究所）────────────────────────────── 19「金属材料の微細組織の高精度マルチスケール計算技術」

座長：川島直輝（東京大学）
16:35 ─ 16:55

サブ課題 F 次世代機能性化学品

松林伸幸（大阪大学）─────────────────────────────────── 21「ポリマー系の物質分配と相溶性の全原子解析」
16:55 ─ 17:15

サブ課題 G 共通基盤シミュレーション手法

尾崎泰助（東京大学）─────────────────────────────────── 23「汎用第一原理大規模電子状態計算ソフトウェアOpenMXの開発と応用」

17:15 ─ 17:20

総括

高田 章（ロンドン大学）

クロージング

17:20 ─ 19:20

常行真司（東京大学）

意見交換会＊計算物質科学の「見える化」技術を展示します。

006

ポスト
「京」
（スーパーコンピュータ「富岳」）重点課題❼ 第 5回シンポジウム

ポスターセッション

2019 年 8 月9日（金）会場：多目的スペース

サブ課題

A

高機能半導体デバイス

A1 小野倫也

本紙掲載
ページ

RSPACE を用いた電子デバイス用高機能界面のデザイン

A2 宮崎剛(神戸大学) ─────────────────────────────────────────27オーダー N 法第一原理計算による Si/Ge コアシェルナノワイヤの理論研究（物質・材料研究機構） ─────────────────────────────────────

A3 原嶋庸介

28

転位および不純物がある GaN の第一原理計算とリーク電流モデルの構築（名古屋大学） ────────────────────────────────────────

A4 大河内勇斗

29

第一原理計算と熱力学的解析による GaN MOVPE 成長中の炭素取り込みの考察（名古屋大学） ──────────────────────────────────────

A5 小川湧太郎

30

第一原理計算による超格子型相変化メモリのスイッチング機構の考察

A6 中野崇志(名古屋大学) ──────────────────────────────────────

31

第一原理計算による GaN らせん転位中の Mg 不純物の研究

A7 森 伸也（名古屋大学） ───────────────────────────────────────

32

量子輸送デバイスシミュレータ開発（大阪大学） ─────────────────────────────────────────

A8 鎌倉良成

33

デバイスシミュレーションによる Si ナノシートトランジスタの解析（大阪工業大学） ──────────────────────────────────────

A9 吉田勝尚34

ナノスケールデバイスにおける離散不純物モデルの構築とその実装

007（筑波大学） ────────────────────────────────────────

35

サブ課題

B

光･電子融合デバイス

B1 野田真史

本紙掲載
ページ

第一原理計算によるシリコンの波数励起

B2 植本光治（筑波大学） ─────────────────────────────────────────

36

大規模計算をもちいた極限パルス光･固体物質相互作用の第一原理シミュレーション（筑波大学） ─────────────────────────────────────────

B3 廣川祐太37

A64FX プロセッサに対する電子動力学アプリケーション SALMON のコデザイン

サブ課題

C

（筑波大学） ─────────────────────────────────────────

38

超伝導･新機能デバイス材料

C1 大越孝洋

高精度量子多体計算手法を用いた銅酸化物高温超伝導体の第一原理的研究

C2 山地洋平（早稲田大学） ────────────────────────────────────────

39

ボルツマン機械で迫る高温超伝導の起源

C3 山地洋平（東京大学） ─────────────────────────────────────────

40

強相関トポロジカル物質の励起スペクトル（東京大学） ─────────────────────────────────────────

C4 大久保毅

41

テンソルネットワーク法の開発とキタエフスピン液体への適用（東京大学） ─────────────────────────────────────────

C5 Rico Pohle42

パイロクロア格子上のイリジウム酸化物における量子スピン液体の数値的研究

サブ課題

D

(早稲田大学) ───────────────────────────────────────

43

高性能永久磁石･磁性材料

D1 佐藤 暢哉

ベイズ最適化を利用した高効率な結晶構造探索

D2 合田 義弘

（産業技術総合研究所） ───────────────────────────────────

44

磁性材料の高性能化−大規模電子状態計算による探索（東京工業大学） ───────────────────────────────────────

45
008

サブ課題

E

高信頼性構造材料

E1 徐 卓本紙掲載
ページ

大規模第一原理計算による鉄中の粒界特性の解明と機械学習との連携（産業技術総合研究所） ───────────────────────────────────────

E2 PHAM Thi Nu

46

第一原理
（FP）フェーズフィールド
（PF）
法の開発

E3 Chunwen Guo（横浜国立大学） ──────────────────────────────────

47

一方向凝固過程における柱状粒の競合成長：フェーズフィールド法による研究

サブ課題

F

（京都工芸繊維大学） ────────────────────────────────

48

次世代機能性化学品

F1 山田一雄

分子動力学シミュレーションを用いた長鎖高分子化学ポテンシャルの高速計算手法の開発（大阪大学） ─────────────────────────────────────────

F2 浦長瀬正幸

49

有機／無機界面シミュレータの接着への適用

サブ課題

G

（名古屋工業大学） ────────────────────────────────────

50

共通基盤シミュレーション手法

G1 小口多美夫

全電子 FLAPW 計算コード HiLAPW の開発

G2 吉川誠司（大阪大学） ───────────────────────────────────────

51

不完全な実験データを用いたデータ同化による結晶構造探索（東京大学） ─────────────────────────────────────────

G3 Theresa Davey

52

第一原理ベースの新 CALPHAD 相図計算手法の探索と開発

G4 星 健夫（東北大学） ────────────────────────────────────

53

コデザインに基づく数理アルゴリズムとライブラリの開発

G5 星 健夫（鳥取大学） ──────────────────────────────────────────

54

超並列 100 ナノメートル電子状態計算と有機デバイス材料研究の産業展開

G6 星 健夫（鳥取大学） ──────────────────────────────────────────

55

革新的表面構造解析に向けた超並列データ駆動科学と測定技術の融合（鳥取大学） ──────────────────────────────────────────

G7 遠山貴巳56

大型実験施設との連携 ─ 強相関電子系・量子スピン系の磁気・電荷励起 ─009（東京理科大学） ───────────────────────────────────────

57

口頭発表

010

A 高機能半導体デバイス
第一原理物質計算と量子論デバイス・プロセスシミュレーション
First-Principles Condensed-Matter Calculations andDevice-Process Simulations Based on the Quantum Theory

押山 淳 （名古屋大学 未来材料･システム研究所）

課題の目標────────────────────────「デバイス構造における乱れの理解と制御そして新機

コードにインプリメントされた。現時点では、1500 原子系のサブナノ秒に亘る動的シミュレーションが、日常的な能発現」および「新材料からの量子論デバイス創製シミュ

コンピュータ・リソースで実行可能となっており、電界効レータ開発」のふたつのサブサブ課題のもとに、「京」コ

果トランジスター（MOSFET）に欠かせないアモルファス

ンピュータおよび「富岳」コンピュータのアーキテクチャにSiO₂ の物性解明、パワー半導体 GaN のエピタキシャル

最適な実空間シミュレーション手法の高度化を行い、そ成長機構解明などが進んでいる。¹）

れにより高機能半導体開発に資する、先端的物質科学

RSDFTとデバイスシミュレータNEGFの統合

計算と量子論デバイスシミュレーションを実行する。対─────────────────────────────────────────────────
ナノデバイスにおける電流輸送では、非平衡グリーン

象となる物質ターゲットは、半導体ナノ構造、2 次元原子

関 数 法（Non-Equilibrium Green s Function : NEGF）

層物質、そして SiC、GaN に代表される次世代パワー半などの量子論的アプローチが必要である。本サブ課題

導体と、その異種物質界面・成長表面である。

実行中に、このNEGFコードと前出の RSDFT コードの統合が行われた。これによりナノデバイスの電流を量子アプリケーションの開発論の第一原理から計算するデバイスシミュレータが完成

RSDFTコードの高速化・高度化した。図１は開発されたRSDFT-NEGFシミュレータによっ────────────────────────
量 子 論 の 第 一 原 理 に 基 づ いた 密 度 汎 関 数 理 論て得られた、Si ナノワイヤー MOSFETのゲート電圧−ド（Density-Functional Theory: DFT）によ る 構 造 最 適

レイン電流特性である。デバイス内での分極を RSDFT

化・電子状態計算を、超並列アーキテクチャ・コンピューで求めることにより、正確な電圧電流特性が得られた。

タ上 で 高 効 率 に 実 行 する
研究開発成果RSDFT（Real-SpaceDFT）

Floating状態とSiC/SiO₂MOSFETでの電子トラップ

コードは、Si ナノワイヤー 10
り、2011 年のゴードンベル賞

─────────────────
多くの共有結合半導体は図２a に示すを受 賞したが、本サブ 課 題

ように四面体を構成要素としている。こ

遂行中にも更なる高速化、高れら半導体のエネルギーギャップは sp³

度化が 行われた。それによ

混成軌道の結合状態と反結合状態のエ

り、高速化の観 点では、
「富ネルギー差であると信じられてきたが、岳」に お いて 対「京」比 較 でそれは必ずしも正しくないことがわかっ

30 倍以上の高速化が見込また [1]。図 2b はパワー半導体 SiC の伝れている。また高度化の 代

導帯下端の波動関数である。Si と C の表的成果は、分 子動力学法

間を結ぶ sp³ 軌道ではなく格子間のチャ（Molecula r Dyna mics:

ネルに広がっていることが一目瞭然であ

MD）の導入であり、実空間スる。つまり結晶の内包空間に広がった

万原子系に対 する計 算によ

キームによる Car-Parrinello（CPMD）
シミュレーション部
分（RS -CPMD）が RSDFT

011

ﬂoating 状態である。さらにこのことは、
図 1: RSDFT-NEGF 統合デバイスシミュレータによる Si ナノワイヤートラン
ジスターの電流電圧特性。赤三角：分極電荷を RSDFT により自己無動着に計算した場合、黒三角：分極を経験的パラメータで取り入れた場合、灰三角：分極を考慮しなかった場合。重要なゲート電圧領域で一桁程度の違いが生じる。

SiC のバンドギャップの多型依存性を見事に説明する。すなわち SiC は、ウルツ

共同研究者
白石賢二（名古屋大学）
Bui Kieu My（名古屋大学）岩田潤一（アドバンスソフト）
松下雄一郎（東京工業大学）
森伸也（大阪大学）
美里劫夏南（大阪大学）
Boero Mauro（名古屋大学／Strasbourg大学）
制野かおり（X-Ability）
井本文裕（早稲田大学）
寒川義裕（九州大学）
重田育照（筑波大学）

脚注 1）
その他の高度化の例としては、GP-GPUを用いたハイブ
リッド汎関数計算の効率的コード開発、複雑系電子スペクトル解析のためのband-unfolding法開発、DFT摂動論による誘起電荷密度計算ルーチン開発などがあげられる。 2）その他のRSDFT等による物質科学計算の成果としては、（ i）SiC酸化の原子スケール
機構解明とSiC/SiO₂界面での炭素起因のトラップレベルの同定、（ii）SiC表 面でのナノファセット形 成 機 構 解 明とそこでのエピタキ
シャルグラフェン成長の成因探索、（ iii）二層グラフェンでの層間捩れによるディラック電子の局在化発見、（ iv）銀表面上2次元物質シリセンの電子スペクトル解明、などがあげられる。また新たな展開として、次世代パワーデバイス材料であるGaNのエピタキシャル薄膜成長機構の解明および薄膜成長シミュレーション技術の構築に取り掛かった。未だ予備的段階ではあるが、Gaリッチな成長表面では窒素が容易に薄膜中へとりこまれること、成長温度ではGa原子が2次元液体化していること、など基礎的な知見が得られている。

参考文献 ［1］Y.-i. Matsushia, A. Oshiyama, Phys Rev
Lett, 112, 136403（2014）; J Phys Soc Jpn, 86, 054702（2017）. ［2］Y.-i. Matsushita, A. Oshiyama, Nano Lett,
17, 6458（2017）

問い合わせ先 ： Atsushi Oshiyama <oshiyama@imass.nagoya-u.ac.jp>

鉱（2H）、閃亜鉛鉱（3C）、4H（図 2a）、6H、等々さまざまとがわかった [2]。図 2c および図 2d は界面での原子層な結晶多型を示す。すべての多型は第三近接原子まで

スタッキングの違いにより、伝導帯下端に電子トラップがの構造は同一である。異なるのは図 2a に示すような正出現することを明らかにしたものである。通常の完全な四面体の重なり方（原子層スタッキング）である。さらにスタッキングで界面が形成された場合は（図２c）理想的

そのバンドギャップは多型の違いにより 40% も異なる。

なバンドオフセットになっているが、スタッキング・フォー

sp³ 混成軌道の考え方では説明できない。この謎は、原ルトが生じると（図2 d）、上述のチャネルの長さが界面付

子層スタッキングの違いが格子間チャネルの長さの違い

近で変調され、チャネル長さが伸びる場合には量子閉じを生みだしていることに気づけば氷解する。伝導帯の下込めが緩み、伝導帯下端が下方にシフトする。図 2 d の端の電子は、格子間チャネルに閉じ込められた ﬂoating

場合は理想的な伝導帯下端より 0.3 eV ギャップ中にず状態であり、その量子閉じ込めの程度はチャネルの長さ、れ 込 み、これ が 電 子トラップとなるのである。この言い換えれば多型の相違によって決まっており、それによ

ﬂoating 状態に起因する効果の大小は SiC 面方位に依りバンドギャップの顕著な違いが生み出されるのである。

存し、非極性面では効果は抑えられる。最近の実験で、

さて、SiC-MOS デバイス動作の根幹である SiC/SiO₂

このことが検証されている。

界面には多くのキャリヤートラップが存在する。酸化プ
ロセスによる余剰炭素原子の挙動が怪しまれているが、スーパーコンピューター「富岳」で取り組む課題

それとは別に、上述の原子層スタッキングの問題があるこ

量子論シミュレーションによるパワーデバイスの科学と技術の構築────────────────────────
パワーエレクトロニクスの発展に資するため、以下の3 点を柱として、RSDFT、NEGF コード等を軸に据えた先端的シミュレーションを行う。
①パワー半導体とアモルファス絶縁膜界面の原子・電子構造の 解明と界面近傍 欠 陥の同定。ターゲットはSiC と GaN およびそれらと整合しうる種々のアモルファ
ス絶縁体。②エピタキシャル成長の量子論的解明とマルチスケールシミュレーション技術の構築。ターゲット
は GaN の MOCVD 成長を例としたエピ成長の量子論の 構 築。③パ ワ ー デ バ イ ス 構 造 に お け る、
RSDFT-NEGF さらにはモンテカルロ輸送シミュレーシ
ョンを用いたデバイスデザイン。

図 2:（a）結晶多型のひとつである 4H 構造の模式図。（b）SiC の伝導帯下端の波動関数の振幅。
格 子間 位置での振幅が最も高い。（c）
および（d）
SiC/SiO₂ 界面での局所電子密度。正常な原子層スタッキングの場合（c）と界面スタッキング乱れがある場合（d）。（d）の場合は界面近 傍において伝導帯下端が局所的に下方移動している。

012

B 光・電子融合デバイス
第一原理計算に基づく光科学ソフトウェア
SALMONの開発と応用
Development and applications of ﬁrst-principles software SALMON for optical sciences

矢花一浩 （筑波大学計算科学研究センター）

課題の目標────────────────────────
今日の先端の光科学では、光電磁場と物質中の電子・イオンが強く結合することにより起こる新しい現象や、それを利用した新奇な光デバイス原理の探求が、急速に進展している。高強度な超短パルス光を用いたレーザー加工技術も、産業応用で重要性が増している。本課題では、このような光と電子が強く結びついた系を記述する第一原理計算に基づく新しい計算法を発展させる。時間依存密度汎関数
理論に基づき、光が照射した物質中で起こる電子やイオンの運動を実時間で記述し、孤立系、ナノ構造
体、周期系バルク、表面・界面等、様々な系を対象として、近接場光励起や高強度パルス光励起の解明を行う。これにより、光と電子の結合による新奇な光図 2: パルス光をダイヤモンド表面に照射した時に発生するコヒーレントフォ
ノンと、パルス光の伝搬 [2]。

デバイス原理の開拓や、非熱レーザー加工プロセスの初期過程の解明を行う。

軌道関数は３次元空間格子を用い表現しており、計算する空間領域や軌道・k 点などを分割し、高効率な並アプリケーションの開発

列計 算が 可能である。これを用いて、弱い光に対 す

光・電子・イオンの運動を実時間で第一原理計算────────────────────────
本課題で、分子研が開発を進めてきたパルス光と分る物質の応答を特徴づける分極率・誘電関数から、任子 や ナノ構 造 体 の 相 互 作 用を 記 述 するプ ログラム

子とイオンの非線形応答を調べることができる。さらGCEED と、筑波大が中心となり開発を進めてきたパに SALMON では、光伝搬と電子・イオンのダイナミク

ルス光 と 固 体 の 相 互 作 用 を 記 述 するプ ログ ラム

スを連結した計算により光伝搬の第一原理計算が可能

ARTED を統合し、汎用の光・物質相互作用に対するであり、これは他に例のないユニークな機能である。

オ ー プ ン ソ ース 計 算 コ ード SALMON（Scalable

SALMONの開発では、計 算機 科学者との密接な連

Ab-initio Light-Matter s i m u l a t o r f o r O p t i c s

携を行ってきた。最も計算時間を要する軌道関数に対a nd Na n o s c i e n c e ）を開発した。SALMON はウェ

するステンシル計算に関し、メニーコアプロセッサ向けにブページ https://salmon-tddft.jp に

高度な最適化を行いOakforest-PACS

おいて公 開し、コード 論 文を Comp.

の全ノード計 算を実施するとともに、

Phys. Comm. 誌に出版している [1]。

理 研R-CCSが 提 供するポスト「京」プ

SALMON の 基 本となる 機 能 は、ロセッサシミュレータでの性能評価も時間依存密度汎関数理論に基づく電実施し、ポスト「京」システムの早期活子軌道関数の時間発展計 算である。

013

意の波形や偏光、強度を持つパルス光電場に対する電図 1: SALMON（https://salmon-tddft.jp）のロゴ用のための準備を進めている。

参考文献 ［1］M. Noda et.al, C omp. Phys Comm. 235,
356（2019）.［2］A. Yamada, K. Yabana, Phys. Rev. B99,
245103（2019）. ［3］M. Noda et.al, Phys. Rev. Appl. 11,044053（2019）.［4］T. Yatsui et.al, Comm. Phys. 2, 62（2019）.［5］M. Lucchini et.al, Science 353, 916（2016）.

共同研究者
八井 崇（東京大学）
飯田健二（分子科学研究所）
朴泰祐（筑波大学）
野田真史（筑波大学）
植本光治（筑波大学）
廣川祐太（筑波大学）
山田篤志（筑波大学）
山田俊介（筑波大学）
竹内 嵩（筑波大学）
乙部智仁（関西光科学研究所）
佐藤駿丞（筑波大学）

問い合わせ先 ： Kazuhiro Yabana <yabana@nucl.ph.tsukuba.ac.jp>

研究開発成果

電体薄膜の相互作用において、誘電体の光学 特 性が近接場光励起やアト秒科学など先端の光科学で成果────────────────────────間接ギャップ半導 体であるシリコンは、可視光領域

光の１周期よりも短い時間スケールで変化することを明の光をごくわずかしか吸収しないため、受光素子や太光の波形を制御できることが計 算と実験により明らか

陽電池 材料として使う場合に、光の吸収を強くする工にされつつある。これらはペタヘルツで動作する未来

夫が必要になる。我々は、微 細なナノ構造の周囲に形の光デバイス原理の開拓や、パルス波形の整形につな成される近接場光を用いることで、シリコンの光吸収がるものである。

らかにした [5]。さらに誘電体薄膜を用いると、パルスを増強させることが可能であることを示した。空間的に局在した光である近接場光は有限の波数を持 つた

スーパーコンピューター「富岳」で取り組む課題

め、異なる波数状 態間の電子励 起、「波数 励 起」が 可

光デバイスや光加工に対する
原子スケールからの第一原理計算能になる。図３に、計算で得られた波数空間での遷移の様子を示す [3]。この効果に対する実 験による検証────────────────────────
「富岳」では、近 接場 光 励 起や高強度パルス光を用を、シリコンの基 板の上に金のナノ粒子を配置して行いた 新しい 光 デバイス原 理 の 開 拓 や 非 熱 的 なレ ーい、バンドギャップ波長領域の光応答が増大する結果

ザー加工 過程の解明のため、光電 磁 場・電子・イオンが得られた [4]。

の運動を結合した実時間第一原理シミュレーションを

また、高強度 超短パルス光と物質の相互作用では、

実 施 する。物質表面に金 属のナノ粒子を置き光を照アト秒科学の創生や高次高調波の発生、非熱レーザー

射 すると、ナノ粒子 の周囲に近 接 場 光 が 発 生し、間加工など、様々なフロンティアが展開している。我々は接的ギャップ半 導 体であれば波数 励起による光 励起

アト秒 実 験グループと協力して、高強度パルス光と誘が起こり、導電性物質に対しては表面プラズモンが誘起される。また高強度パルス光
を誘電体の表面に照射すれば、表面からの電子やイオンの放出
や、パルス光から電子・イオンへの エ ネル ギ ー 移 行 が 起 こ る。
これらの過程を、数千から数 万原子からなる現実に極めて近い系に対し、原子サイズの空間ス
ケール・フェムト秒以下の時間ス
ケ ール で 計 算 を 行 うことに より、新奇な光デバイス原理の開拓をさらに 進 めるとともに、非熱レーザー加工プロセスに対す

図 3: シリコンの近接場光による電子励起を波数空間で示す [3]。

図 4: ダイヤモンドの光学的 性質の超高速 変化に対する第一原理シミュレーション [5]。

るミクロな理解を獲得する。

014

C 超伝導・新機能デバイス材料
強相関電子系の超伝導、トポロジカル相Superconductivity and topological phase in strongly correlated electron systems

今田正俊 （豊田理研、早稲田大学）

研究開発成果課題の目標────────────────────────
第一原理計算を基礎に強相関電子物質の電子構造解
明に適用できるアルゴリズムの開発・応用と、「富岳」を活用するための手法開発。特に、銅酸化物などの高温超伝導機構、トポロジカル機能物質の新概念実証、界面や非平衡への概念適用を可能にするコード開発と適用。

高温超伝導と量子スピン液体の実験に隠れた本質抽出、機構提唱────────────────────────
銅 酸 化 物 超 伝 導 体 の 2 つの 化合 物について第一
原 理 有 効 ハミルトニアンを導 出して [8 ,9]、「京」を活用して解き、銅酸化物での強相関電子系特有の超伝導と電荷不均一相の激しい競合を明らかにし、ハバード模 型のような単純な模 型で電荷不均一相が 支配的

アプリケーションの開発

強相関電子系の予測、設計のための手法、
ソフトウェア開発公開────────────────────────
強相関有効ハミルトニアンを第一原理的に導出し、であるのに対して [10,11]（図３）、これを抑えて現 実
物 質 で 超 伝 導が 優 越 する機 構を定 量 的に解 明した[12]（図４）。特にサイト間 有 効 相 互作用がこの 逆 転HΦ[1]、mVMC[2]などの低エネルギーソルバーを用いを生み、モット転 移に伴う電子 構造再 構成が電 荷のて解く一貫スキームを構築、実装した（図１）。さらにス

不安定性や強い有 効引力につながり超 伝導を生むこ

ピン軌道相互作用、電子格子相互作用、非平衡時間発とを明らかにした。本成果は第一原理的にかつ物質

展[3]を組み込 み、テンソルネットワーク[4]などを含めの個性に基づき任意パラメタなしに銅酸化物超伝導体

る等の高精度化と機能拡張を行なった。機械学習にや鉄系超伝導体を含む高温超伝導体の発現機構に関よるニューラルネットワークを取り込む手法も開発した

する 30 年以上の難問を解く道を開き、より広範な物質[5,6]（図2）。高度な機能拡張のみならず、実 験 家も使群と候補に対し、「富岳」で系統的、包括的な解明を進えるソフトとしても、コード公開と普及活動を進め[7]、める出発点にもなる。また、今までの実 験では隠れて21世紀初頭までは不可能であった強相関電子系に対いた超伝導が「高温化」する機構を抽出し、これを検証する有力な第一原理手法・一貫シミュレータとしてのするために機械学習を活用して実験研究者と連携する地位を確立した。これは次世代機能素子として注目さ道を開いた [13]。スピン液体の候補であるイリジウム

れる強相関デバイス、トポロジカルデバイス、機能素子

やルテニウム化合物で開発の武 器となる。第一原理的な一貫手法とその公

現 実に実 験 で 実 現す

開は世界的にもほとんど例がない。

る磁 性 相を定 量再 現するとともに [14]、磁性の裏にあるスピン液

H

体 の 兆候を実 験 的に評価する方法を与えた[15-18]（図 ５）。ま た

mVMC

イリジウムパイロクロ

RESPACK
図 1:「富岳」で有用な強相関電子系ソフト開発

015

ア化合 物の 磁 壁の 持
図 2: 量子多体 問題を解くための制限ボル
ツマンマシンの構造

つトポロジカル機能を

共同研究者
山地洋平（東京大学）
川島直輝
（物性研）
藤堂眞治
（東京大学）
三澤貴宏
（物性研）
大久保毅
（東京大学）
野村悠祐
（理研）
森田悟史
（物性研）
大越孝洋
（早稲田大学）
Rico Pohle（早稲田大学）
金子隆威
（物性研）
井戸康太
（物性研）

参考文献 ［1］M. Kawamura, K. Yoshimi, T. Misawa, Y.
Yamaji, S. Todo, and N. Kawashima; Compt. Phys. Commun.
217, 180（2017）［2］T. Misawa, S. Morita, K. Yoshimi, M.
Kawamura, Y. Motoyama, K. Ido, T. Ohgoe, M. Imada, T. Kato
Compt. Phys. Commun., 235（2019）447. ［3］K. Ido, T.
Ohgoe, and M. Imada; Phys. Rev. B 92（2015）245106. ［4］H.-H. Zhao, K. Ido, S. Morita, M. Imada; Phys. Rev. B.96
（2017）085103. ［5］Y. Nomura, A. S. Darmawan, Y.
Yamaji, and M. Imada; Phys. Rev. B.96（2017）205152. ［6］
G. Carleo, Y. Nomura, and M. Imada; Nat. Commun. 9（2018）5322. ［7］https;// ［8］M. Hirayama, Y. Yamaji, T. Misawa,
and M. Imada; Phys. Rev. B 98（2018）134501. ［9］M.
Hirayama, T. Misawa, T. Ohgoe, Y. Yamaji, and M. Imada;
Phys. Rev. B. 99（2019）245155. ［10］K. Ido, T. Ohgoe,
and M. Imada; Phys. Rev. B.97（2018）045138. ［11］A. S.
Darmawan, Y. Nomura, Y. Yamaji, and M. Imada; Phys. Rev. B
98（2018）205132 ［12］T. Ohgoe, M. Hirayama, T.
Misawa, K. Ido, Y. Yamaji, M. Imada; arXiv:1902.00122［13］Y. Yamaji, T. Yoshida, A. Fujimori and M. Imada;arXiv;1903.08060. ［14］Y. Yamaji, Y. Nomura, M. Kurita, R.
Arita, M. Imada; Phys. Rev. Lett. 113（2014）107201. ［15］Y. Yamaji, T. Suzuki, T. Yamada, S. Suga, N. Kawashima, M.
Imada; Phys. Rev. B 93（2016）174425. ［16］Y. Yamaji, M.
Imada; Phys. Rev. B 93（2016）195146. ［17］T. Okubo, K.
Shinjo, Y. Yamaji, N. Kawashima, S. Sota, T. Tohyama, M.
Imada; Phys. Rev. B 96（2017）054434. ［18］M. Gohlke, G.
Wachtel, Y. Yamaji, F. Pollmann, and Y. B. Kim; Phys. Rev. B.
97（2018）075126. ［19］Y. Yamaji, and M. Imada; Phys.
Rev. B 93（2016）195146. ［20］K. Ido, T. Ohgoe and M.
Imada; Sci. Adv. 3（2017）e1700718. ［21］T. Misawa, Y.
Nomura, S. Biermann, M. Imada; Sci. Adv. 2（2016）
e1600664. ［22］T. Tadano, Y. Nomura, and M. Imada: Phys.
Rev. B 99（2019）155148.

問い合わせ先 ： Masatoshi Imada <imada@aoni.waseda.jp>

スーパーコンピューター「富岳」で取り組む課題

強相関系におけるトポロジカル相、超伝導の機能開拓と機構解明────────────────────────
開発、実装した強相関電子系のための階層的第一原理手法と高精度ソルバーを駆使し、格段に大きな
空間サイズや長い実時間のシミュレーションを実現
し、解明が進んできた高温超伝導の隠れた機構や、

AFMI

量子スピン液体、磁壁界面などのトポロジカル相の

図 3: 超伝導と不均一の競合発見、解明、開発という、物理学における重要な基礎解明した [19]。これらの成果は解析の難しい強相関電科学課題を推進する。また強相関電子系が固有に生子系の実験結果に隠れる本質を第一原理計算や機械学

む、粒子の分数化や流体化などの創発的現象を発見、習を用いて解明していく先駆例の一つである。実験 結基礎を確立し、そこから生まれる機能を開拓する。

果の解 析で実 験研究者と連携が進み、実 験と計 算科

このために第一原理手法の予言力を活用して、現実学が連携して機能開発、探索していくデータ科学手法

物質群での個性を定量的、系統的に明らかにし、実の展望を開くとともに、これを発展させていく方向での験と連携して高機能トポロジカル相、超伝導相の実「富岳」での課題が明らかにもなった。また、強相関電現をめざす。また高精度計算や解析に有効な機械学

子系の界面や非平衡という物性科学のフロンティアを研究する道筋と手法が開拓された。強 相関電子の非平 衡状 態
で超伝導が増幅する機構の一つを見出

習手法を第一原理手法と組み合わせ、デー

4(a)タ科学手法を併用して、光電子分光、トン3

ネル分光、中性子散乱、磁気共鳴、ミューオ

21ンなどの磁気情報、共鳴 X 線散乱、電子エ0

し [20]（図６）、界 面 で 超 伝 導 が 最 適化される一 般 的な機 構の 発見 [21] のネルギー損失分光などが明らかにする電荷4(b)

ダイナミックスなどを組み合わせ、実験で3

2

基礎付け [22] に寄与した。

求められる物理量から、そこに隠れている
1

0
4

(c)
3

8
7
6
5
4
3
2
1
0

機構や理論情報を抽出することで、この機
能開拓と機構解明を加速する。

2

1

0
4

(d)
3

2

1

0

図 4: 水銀系銅酸化物第一原理有効ハミルトニアンの解による超伝導相が支配的な実験相図の再現

図 5: スピン液体候補の有限温度分光学

図 6: 高温超伝導が動的に増幅されていくシミュレーション結果

016

D 高性能永久磁石・磁性材料
大規模シミュレーションと機械学習による永久磁石開発
Development of permanent magnets by large-scale simulation and machine learning三宅 隆 （産業技術総合研究所）

課題の目標────────────────────────
電 動車の駆 動モータや風 力発電機等に用いる高性
能 永 久 磁 石の消 費 量は年々増 加しており、小 型 化、耐熱性、希少 元 素低減などの要請から高保 磁 力、高飽 和磁 化、高キュリー温 度の条件を満たす磁 石材料

図 2: 全 8,463 原子からなる、ネオジム磁石界面（Nd₂Fe₁₄B/ アモルファス Nd-Fe 相）の構造が求められている。保磁力は粒界や材料 組 織に依存するが、その微視的機構は未だに解明されていない。
本課題では原子スケールからの保磁 力機構の解明に向け、磁 化反 転の 鍵を握るネオジム磁 石界面に対 する１万原子 規 模の大規 模第一原理計 算を可能にする
アプリケーション開発を行う。また、ネオジム磁石に代わる新 規 磁 石開発に向けて、磁 石材料 の主相・副相物質の 探索を行うためのマテリアルズ・インフォマ
ティクス手法を開発する。

る手法を開発した [1]。Wang-Landau 法を用いた制
限モンテカルロ法で Nd₂Fe₁₄B の飽 和磁 化と結晶磁気 異方 性の温 度依 存性を算出し、実 験とよく一致 する結果を得た。
●

第一原理計 算により、希土類磁石粒界の原子スケー

ルの 磁 気 物 性 値を評 価する技 術を開 発した [2]。サブ 課 題 G と協力して OpenMX コードを高度化し、ネオジム磁 石界面に適 用した。4 0 0 0 原子 規 模のネ
オジム磁石の主相・副相界面の構造最適化を行った。

アプリケーションの開発

8500 原子規模のネオジム磁石界面の第一原理計算──────────────────────────
──────
─────
─────
────
──
●
ネオジム磁石主相（Nd₂Fe₁₄B）に対する定量的な原子論 的スピン模 型を構築し、有限温 度磁性を解 析す

また 8 5 0 0 原子 規 模 の 界 面 系に 対して 動 作 確 認を行った。
●

OpenMX では、スピン多重 度、結晶の量子 数である k 点、固 有 状 態（い わ ゆる バ ンド 並 列）に 対してM PI と OpenM P のハイブリッド並 列が 3 重に実 装されており、高速 計 算が 可能である。また、高速 計
算を可能とするためにスピン分極した 4f 電子を内殻に 配 置 するオープンコア 法 を実 装して いる。8 ,4 63
原子系でのテストでは、約 8 時間で 2 5 ループの自己
無撞着計 算を回すことに成功した。
研究開発成果

磁性材料開発に有効な機械学習手法──────────────────────────────────────────────────●
物 性値を予測するための汎 用的な記 述子である軌
道 場 行 列（OF M）を考 案した [3 ]。4 , 2 2 0 種 類の 遷
移金 属化合 物の生 成エネルギーや 6 5 8 種 類の 化合物の局所磁 気モーメントに対して有効性を検証した。
●

図 1: Nd₂Fe₁₄B（ネオジム磁石主相）の結晶構造

017

階層クラスタリングを用いて重要な記 述子や記 述子

共同研究者
石橋章司（産業技術総合研究所）
佐藤暢哉（産業技術総合研究所）
赤井久純（東京大学物性研究所）
合田義弘（東京工業大学）
寺澤麻子（東京工業大学）
田中友規（東京工業大学）
ソ・インソン（東京工業大学）
馬場啓太（東京工業大学）
濱崎恭孝（東京工業大学）
塩沢知春（東京工業大学）

参考文献 ［1］Y. Toga et al., Phys. Rev. B 98, 054418（2016）.［2］Y. Tatetsu et al., Phys. Rev. Appl. 6, 064029（2016）.［3］T.L. Pham et al., Sci. Technol. Adv. Mater.
18, 756（2017）.［4］H.C. Dam et al., J. Phys. Soc. Jpn.
87, 113801（2018）. ［5］T. Fukazawa et al., Phys. Rev.
Mater. 3, 053807（2019）. ［6］T. Yamashita et al.,Phys. Rev. Mater. 2, 013803（2018）.

問い合わせ先 ： Takashi Miyake <t-miyake@aist.go.jp>

グル ープ を 特 定 するサブグル ープ 関 連 性 解 析を開発した [ 4 ] 。 希 土 類 遷 移 金 属 合 金 の キュリー温 度の 実 験 デ ータに 適 用し 、重 要 な 記 述 子 グル ープ を特定した 。
●

ベイズ最 適 化とデータ同 化を用いた効 率 的な化 学組 成の 最 適 化 手 法を開 発した [5]。Nd₂Fe₁₄B を超える磁 気 特 性を有 する R Fe₁₂ 型 希 土 類 化合 物に適用し、飽 和磁 化、キュリー温 度、生成エネルギーを目的変数として 5 変数を最 適化する探索効率を検 証した結果、適切な記 述子を選択するとランダムサンプリ
ングよりも圧倒的に高効率であることがわかった。
●

ベ イズ 最 適 化を用いた 結 晶 構 造 予 測 手 法 を開 発した [6]。
スーパーコンピューター「富岳」で取り組む課題

保磁力機構の解明と新規磁石開発──────────────────────────────────────────●
元 素 戦 略 PJ 等 の 最 新の実 験 情 報とネオジム磁 石
主相・副相界面の第一原理計 算に基づき、Nd₂Fe₁₄B

図 3: 希土類遷移金属合金のキュリー温度のサブグループ関連性解析のスピン模 型を拡 張した界面系のスピン模 型を構 築する。その磁化反転シミュレーションを実行し、粒界
近 傍 の 磁 化 反 転 機 構の 解 明を行う。す でに 3 0nm
程 度の Nd₂Fe₁₄B 孤 立 粒子 のシミュレーションに成功しており、空間スケールを拡大した界面系の計 算を実行する。
●

マテリアルズ・インフォマティクス手法による新規磁石開 発を行う。新たな 鉄 基 希 土 類 化合 物の 結晶 構
造 探索、仮 想スクリーニングによる主相・副相物質の絞り込 み、ベイズ最 適化による化 学組 成の最 適化など第一原 理計 算と機 械 学 習（A I）を組み合わせた手法により高性能新磁石の提案を目指す。

図 4: ベイズ最適化を用いた希土類磁石化合物の化学組成最適化

018

E 高信頼性構造材料
金属材料の微細組織の高精度マルチスケール計算技術
Accurate and reliable multi-scale simulations to understand anddesign the micro-structures in structural metals

香山正憲 （産業技術総合研究所）

課題の目標────────────────────────
飛躍的に優れた金属系構造材料の開発は、安全・安
心の社会インフラの構築やエネルギーの高効率利用な

自由エネルギーの第一原理計 算をクラスター展開法とポテンシャル繰り込 み理論の連 携により行い、PF 法に落とし込む手法（第一原理 PF 法）の開発に成功。

ど持続可能社会の構築に大きく貢献する。大規模計算機の活用と計算科学の方法論の革新により、金属材料研究開発成果の高精度の計算技術・設計技術を構築し、飛躍的に優大規模MDと大規模PFの連結・融合による微細組織形成過程の計算れた構造材料の開発を実現することを目的とする。金属系構造材料では、ミクロの原子間結合の強度や性質────────────────────────
並列計 算技術を駆使して、鉄の融体から核生成・凝に加え、結晶粒界や析出相、合金元素や転位網等から固・粒 成 長を 経 て 微 細 組 織 に 至る過 程 の 超 大 規 模

なる微 細組織を形成させ、転位や欠陥の動きを制御す

MD 法 計 算を達 成（図 1）。この核 生 成・凝 固 過 程のることで、優れた強度・靱性・加工性を実現する。従っ構造を大規 模 PF 法に連 結し、その後の粒成長計 算て、原子・電子からメゾ・マクロのマルチスケール計算にを、同一空間スケールで MD と PF の両法で実行するよる微細組織の解明と設計が必要である。ポスト「京」ことに成 功（図２、世界 初 [1]）。これにより原子レベ

計算機（「富岳」）の活用により、大規模な第一原理計算

ル情報が自然にメゾ・マクロの組織形成過程に繋がるや分子動力学法（MD）計算を通じて、微細組織の構成とともに、「データ同化」により MD 法の原子レベル情要素や形成過程の構造や性質、微視的挙動を解明する

報を PF 法に同時的に抽出・伝 達できる。原子スケーとともに、それらのデータをメゾ・マクロに連結すること

ル（MD）情報を大きなスケール域（PF）に高効率・高精で、高精度の大規模フェーズフィールド（PF）法計 算をDisorientation,[º]60

行い、微細組織の解明と設計を実現する。

0

アプリケーションの開発

大規模MD法・大規模PF法────────────────────────
両手法を高度に並列化するとともに融合・連結のためのプログラム開発・整備を進めた。特に MD による多結晶構造を効率的に PF 法にマッピングする技術、MD と PF のデータ同化の技術、また大規模 PF 法とLattice-Boltzmann 法 の 連 成による重 力 効 果（自然図 1: 鉄の融体からの核 生 成・凝固・粒 成長の過程の超大規模（100 億原子）
分 子動力学（MD）
計算（東大・澁田ら）。高温の液体状態の鉄を冷やしていくと多数の結晶の核が生まれ、凝固が進み、微細粒の集合体になる。色は各粒子の方位の差を示す。

MDPF対流）を扱う技術の開発に成功。
第一原理局所エネルギー・局所応力法、第一原理PF法────────────────────────
QMAS コードでの第一原理局所エネルギー・局所応
力法について、各種解析用のプログラムの開発・整備、
機械学習と組み合わせて粒界など乱れた構造のエネル
ギーを予測する技術の開発・整備を行った。合金系の019

図 2: 大規模 MD 法と大規模フェーズフィールド（PF）法の連結（東大・澁田ら）。大規模 MD で得られた核 生 成・凝固直後の微 細粒集合体（図 1）を保持すると粒成長が起きる（小さい粒子が消滅
し、大きな粒子が成長）。微細粒集合体の構造（左）を効率的に PF 法の初期構造に移行させ、大規模 PF 法で粒成長過程の計算を続行（右）。

共同研究者
徐 卓（産業技術総合研究所）
田中真悟（産業技術総合研究所）
石橋章司（産業技術総合研究所）
譯田真人（物質・材料機構）
田村友幸（名古屋工業大学）
伊藤一真（日本製鉄株式会社）
澤田英明（日本製鉄株式会社）
大野かおる（横浜国立大学）
Pham Thi Nu（横浜国立大学）
佐原亮二（物質・材料機構）
毛利哲夫（東北大学金研）
市坪哲（東北大学金研）
大野宗一（北海道大学）高木知弘（京都工芸繊維大学）
Chunwen Guo（京都工芸繊維大学）
澁田靖（東京大学）

脚注 フェーズフィールド（PF）法：場の秩序変数（状態変数）を用いて不均一場の連続体モデルとして、物質・材料の凝固や粒成長、相変態等を表現する計算手法。全系の自由エネルギーを表す
非線形方程式の時間発展を解き、
自由エネルギーの減少過程として現象の進行・変化・発展を調べる。原子スケールよりも大きなス
ケールで金属材料の微細組織を効率的に扱う。
QMAS：Quantum MAterials Simulator。産 業 技 術 総 合 研 究所で開発されている平面波基底PAW法の汎用コード。主たる開発者は石橋章司。
合金の組織予測：合金では複数種の元素が混ざって存在。高温では均一に混ざっているが、温度を下げると異種元素が規則的に並んだ析出相が出現する。この現象を支配するのはエントロピーを含んだ自由エネルギーで、様々な配列を想定して厳密に計算する必要がある。純粋な金属の場合と大きく異なる。

参考文献 ［1］Y. Shibuta, S. Sakane, E. Miyoshi, T. Takaki
and M. Ohno, Model. Sim. Mater. Sci. Eng. 27（2019）
054002 ［2］T. Takaki, S. Sakane, M. Ohno, Y. Shibuta
and T. Aoki, Acta Mater. 164（2019）237 ［3］Z. Xu, S.
Tanaka and M. Kohyama, J. Phys. Condens. Matter 31（2019）115001 ［4］S. Bhattacharyya, R. Sahara and K.
Ohno, Nature Communications, in press（2019）

問い合わせ先 ： Masanori Kohyama <m-kohyama@aist.go.jp>

度に伝 達 する技 術の開発で、融 体から凝固、微 細組

互作用を大規模第一原理計 算（OpenMX、QMAS）で

織 形成までの高精度マルチスケール計 算の基 幹部分

解明、その機構を局所エネルギー法（QMAS）
で詳細にが確立できた。また、大規模 PF 法による凝固計算（デ明らかにした（世界初 [3]）。また第一原理 局所エネル

ンドライト成長）で重力による自然対流効果を取り入れギー法による粒界等の各原子の局所エネルギーと局所る技術開発にも成功（世界初 [2]）。自然対流など凝固環境の情報を機械学習で処理することで、一般 粒界まデンドライト組織を決定する環境因子（温度、流体等）
を取り入れることが 可能となり、実プロセスに近い条
件の計算が実行できる。
第一原理計算をメゾ・マクロに接続する新規計算技術の開発で含めたエネルギー予測が可能であることが示された（図３）。一方、粒子内の合金の相変態には、第一原理
計 算に基づく（エントロピーを含む）自由エネルギー計
算が不可欠。第一原理計算と PF 法を組み合わせた独────────────────────────
微 細組 織中の合金（溶質）元素の挙動や相変態、粒自の合金の組織予測技術（第一原理 PF 法）を確立（図界など乱れた構造を高精度に扱うには第一原理計算がに繋ぐ手法の確立は、大規模 MD・大規模 PF の計 算必要。鉄の粒界・転位と一連の合金（溶質）元素との相と組み合わせ、一層の高精度化や合金・溶質の扱いを可４、世界初 [4]）。こうした第一原理計 算をメゾ・マクロ

能にする。
スーパーコンピューター「富岳」で取り組む課題

金属材料の現実的な微細組織構造の高精度マルチスケール
計算の実行────────────────────────
高精度マルチスケール計算による微 細組織の解明と設計・制御は、技術的・社会的インパクトが極めて大きい。微 細組 織は金属系構造材料の性能を支配し、融体から凝固・粒成長を経て形成される過程を理解することで厳密なプロセス設計が可能となる。微細組織は様々な結晶粒からなる集合体で、全系が大きいほど現実に近い組織が扱える。大規模 MD・大規模 PF 法は
図 3: 第一原理局所エネルギー法と機械学習の連携による複雑な粒界の局所原子エネルギー予測のテスト例（名工大・田村ら）。乱れた構造の各原子のエネルギーを第一原理局所エネルギー法
で求め、各原子の局所環境情報との相関を機械学習で見出し、未知の粒界構造に適用。赤い原子ほど高エネルギー。

高度に並列化されており、「富岳」による大規模 並列計
算 で 現 実 的 な大 規 模 構 造 が 扱 える。一方、大 規 模
MD・大規模 PF 法の計算をより高精度化し、扱えない問題（合金成分 や溶質の挙動、合金 系のエントロピー
を含む自由エネルギー計 算による組 織予測）を扱うた
めに、第一原理計 算をメゾ・マクロに繋ぐ手法（局所エネルギー法と機械学習の連携、第一原理 PF 法）が重参考文献要である。これらも「富岳」により一層の大規模化・高速化が 可能で、現実的な微 細組 織の高精度マルチス

図 4: 第一原理 PF 法による合金組織予測（横国大・大野ら）。NiAl 合金（Ni82%、Al18%）の例。
右は実験観察結果。

ケール計算を可能にする。

020

F 次世代機能性化学品
ポリマー系の物質分配と相溶性の全原子解析
All-Atom Analysis of Small-Molecule Absorption and Mutual Solubility of Polymer Systems

松林伸幸 （大阪大学基礎工学研究科）

課題の目標─────────────────────────
ポリマーや有機 ／無 機界面からなるソフト材料は、とで自由エネルギー計算の高速化を図っている。溶液

原子レベルの相互作用およびメゾレベルの集合様態のマーは、非常に柔軟な分子種であり分子内自由度の取両方に依 存して多様な物質分 配・輸 送の機 能を発 現扱いが重要となる。エネルギー表示溶液理論では、溶し、分離能を活用した脱塩処理・水質浄化・ガス精製、

質−溶媒相互作用の値の分布関数から溶解自由エネル

あるいは、異素材接着における機械的・熱的特性の向ギーを汎関数として構成することで、分子内自由度を粗上など、環 境・医療 やものづくりに直 結 する幅 広い応

視化・簡略化せずに MD と同じレベルで取り扱うことが用分 野を有する。本 課 題は、海水淡 水化や透 析、自できる。ERmod はエネルギー表 示溶液理論に基づく動車部品で広く使われるソフト材料の設計指針を策定

自由エネルギー計算ソフトであり、ポリマーを対象とすすることを目標とし、全原子モデルを用いた大規模分る機能拡張を本 研究で行なっている。ポリマー内セグ

子シミュレーションと不均一系における量子−古典ハイメントの相互作用から溶解自由エネルギーを構成する手

ブリッドシミュレーションによって、共重合体を含むポ法を実装することで、溶解性を決定するポリマー内構造

リマー構造のトポロジーと水・ガスの吸収性の関係を要素を同定することが可能になり、さらに、ポリマーの明らかにし、樹脂／金属界面の接着強度と劣化機構を繰り返し単位であるモノマーと周囲との相互作用を逐次探る。

的に導入する手法を定式化することで、これまで不可能理論としてエネルギー表 示溶液理論を採用する。ポリとされていたポリマー全体の過剰化学ポテンシャルのアプリケーションの開発

全原子計 算ができるようになっている。また、1000 原

ポリマーに対する自由エネルギー計算ソフト
ERmodの機能拡張

子を超える量子領域を含む有機／無機界面を量子−古─────────────────────────
ポリマー材料の分離機能を特徴付ける物理量は、分典 ハ イ ブ リッド 計 算 に よって 扱 うこ と の で き る

離される溶質分子のポリマー媒体への溶解自由エネル

れた金属の界面における反応素過程の原子レベル解析

ギーであり、水素結合や分散引力、排除体積効果を敏が可能になっている。

hybridQMCL の開発を進め、高分 子で複 雑に装飾さ感に反 映するため、その計 算には全原子ポテンシャルを用いた分子動力学シミュレーション（MD）が 必 要となる。自由エG

ネルギー変化の標準計 算手法
では、変化の前後を結ぶ多数の「中間状 態」を導入する必要があるため膨大な計 算時間が必要とされるが、本研究では、
中間状 態の計 算を行わず、溶液 統計力学理論と組合せるこ021

図 1: ERmod によるポリマー系の自由エネルギーの高速計算

共同研究者

問い合わせ先 ： Nobuyuki Matubayasi <nobuyuki@cheng.es.osaka-u.ac.jp>

尾形修司（名古屋工業大学）
山田一雄（大阪大学）
浦長瀬 正幸（名古屋工業大学）
茂本 勇（東レ）
川上智教（東レ）
森 穂高（デンソー）
田中宏一（デンソー）

研究開発成果多様なトポロジーにおける共重合体の物質分配機能を評価─────────────────────────
ブロック共重合 体やグラフト共重合 体への小 分 子（水やガス）の分配挙動の予測、および、相溶性を規定するポリマー全体の化学ポテンシャルの全原子計算が可能になっている。ポリエチレンとポリアクリルアミドの共重合 体 における吸 水自由エネルギーが、各 モノ
マー種の配置にほぼ依存せず共重合比によって決定されることを見出した。ポリマーの力学特性は構造トポ
ロジーに依存することが知られているが、溶解性を規定するエネルギー特 性はトポロジーを反映しないこと

図 2: ポリエチレンとポリアクリルアミドのブロック共重合体における水の溶解
自由エネルギーを示す。また、固体高分子形燃料電池の材料となるイ
オン性樹脂（アイオノマー）への酸素の吸収性と透過性

OHをポリマーの分岐度やフッ化度を変えて検討し、ポリマー鎖の柔軟性や含水量が透過性の制御因子である
ことを明らかにした。燃料電池 材料の設計指針の策

H 2O

DFT
(e-den.))H3O

定に、全原子 MD と自由エネルギー計算が有用である
ことを示す。さらに、ポリマーが同一モノマーの繰り返しであるという普遍的な性質に着目し、モノマー相
互作用の逐次的導入に関わる自由エネルギー変化をポ

Al

AlOx

Epoxy

リエチレン、ポリプロピレン、ポリメチルメタクリレートなどで計算した。その結果、ポリマー相溶性を決定す
る過剰化学ポテンシャルの主要項は数十モノマー程度

図 3: Al 基板／樹脂における接着劣化の量子−古典ハイブリッドシミュレーションの全原子計 算から得られることが見出された。有機／無機界面の計算では、量子−古典ハイブリッドシミュ

ブレンドの相溶性を分子設計との相性の良い全原子モ

レーションを Al 金属とエポキシ樹脂の接着界面に適デルで評価するとともに、共重合ポリマーやブレンド系

用し、基 板 金 属と樹脂の接触部に侵入した水分 子ににおける水やガス、さらに、生体関連の機能性分子のよって接着強度が減少する機構を明らかにした。

吸収および吸 着の自由エネルギーを、メゾスケールの構造不均一性に着目して解析する。また、量子−古典

スーパーコンピューター「富岳」で取り組む課題

メゾ不均一性をもつ長鎖化合物複合系の物質分配と構造強度─────────────────────────
本課題で確立した手法に立脚して、多成分ポリマー

ハイブリッド計 算を用いた有機／無機界面のモデリングを進め、接着性の劣化をもたらす侵入分子の分子間相互作用を自由エネルギー計 算によって同定し、異素材接着の強度向上のための分子設計指針を探る。

022

G 共通基盤シミュレーション手法
汎用第一原理大規模電子状態
計算ソフトウェアOpenMXの開発と応用
Development of large-scale DFT software: OpenMX and its applications

尾崎泰助 （東京大学）

課題の目標────────────────────────
光・電子デバイス材料、磁石材料、構造 材料、機能開発を進め、従来の行列サイズを大幅に超える対角化
計 算が 可能となった。また動的密度行列繰り込み群

性化学品等の材料シミュレーションにおいて共通して法に基づく DDMRG の整 備を進め、密度汎関数理論

ニーズの高い基盤的シミュレーション手法・アプリケーに基づく第一原理計算では取り扱いが困難である多軌ションがある。これらの手法をサブ課題ごとに個別に

道クーロン相互作用項を正確に記 述する DDMRG 計

開発するのではなく共通する部分を見極め、基盤的シ算が可能となった。時間で 25 ループの自己無撞着計

ミュレーション手法・アプリケーションとして開発・整算を回すことに成功した。

備することにより、課題間の横串的な役割を果たす。
（i）基 盤 的第一原 理電子状 態 計 算ソフトウェアの開発・整 備、（ii）物質 構造と相変化の探索手法の開発、（iii）基盤的超並列計 算アルゴリズムの開発、の三つ研究開発成果第一原理大規模電子状態計算ソフトウェア
OpenMXの開発と応用のサブサブ 課 題を設 定し、各サブ 課 題で開発された

───────────────────────
計 算量 が原子個 別的 手法と併用することで、次 世代の産 業を支え

数 に 比 例 する

る新機能デバイス・高性能 材料 の創製に向けて産 業

オーダー N 第一

応用に即した現実系の材料シミュレーションを可能と原理計 算手法はする。また（iv）大 型 実 験 施 設（J-PARC, SPring-8,

1990 年代初頭よ

SACLA）との連携窓口を務め、シミュレーション研究り、活 発 に 研 究

者と実験研究者の共同研究を加速させる。

が 進 められてきたが、計算精度、

アプリケーションの開発

汎用第一原理電子状態計算ソフトウェア及び基盤的超並列計算ソフトウェアの開発────────────────────────────────────────────────
サブ課題 G で開発を進める基盤的第一原理電子状023

数 値 安 定 性、汎用 性 の面 から未図 1: DC-LNO 法の概念図

だ 万能な手法は開発されていない。我々は局在自然 軌 道法と分割統態ソフトウェアは全電子計算手法（HiLAPW）、平面波

治法を融合することで、従来の手法を超える汎用性の手 法（QMAS、xTAPP）、局 在 基 底 法（OpenMX）に

高 い計 算 手 法（DC-LNO 法）の開 発 に成 功した [1]。

大別され、計 算精度と計 算効率の観 点から相補的な本手法により絶 縁体のみならず、金属に対しても高精関係にあり、相互に情報交換を行いながら開発を行っ

度計 算が 可能であり（図１）、その超並列性から、「富ている。これらの基盤的第一原理電子状態ソフトウェ

岳」コンピュータ上での高い並 列効 率が 期 待される。

アはサブ課題 C、D、E、F の研究においても基盤的な

また密度汎関数理論の枠内で内殻電子の絶対束縛エ役割を果たしているため、各サブ 課題におけるニーズ

ネルギーを高精度で計算する手法を新たに開発し、光の調査を実施し、開発項目を明確にした上でソフトウェ

電子分 光スペクトル（XPS）と直接、比較できるように

アの開発・整備を実施した。汎用的な超並列向け複合なった [2]。固体 中での内殻 電子の 絶 対束 縛 エネル

型固有値ソルバールーチン EigenKernel 及び k-ep のギーを決定する化学的環境、スピン軌道相互作用、磁参考文献 ［1］T. Ozaki, M. Fukuda, and G. Jiang, Phys. Rev.
B 98, 245137（2018）. ［2］T. Ozaki and C.-C. Lee, Phys.
Rev. Lett. 118, 026401（2017）. ［3］K. Yamazaki, Y.
Maehara, C-C Lee, J. Yoshinobu, T. Ozaki, and K. Gohara,
J. Phys. Chem. C 122, 27292-27300（2018）. ［4］C-C
Lee, B. Feng, M. D'angelo, R. Yukawa, R-Y Liu, T. Kondo,
H. Kumigashira, I. Matsuda, and T. Ozaki, Phys. Rev. B 97,
075430（2018）. ［5］C.-C. Lee, J. Yoshinobu, K. Mukai,
S. Yoshimoto, H. Ueda, R. Friedlein, A. Fleurence, Y.
Yamada-Takamura, and T. Ozaki, Phys. Rev. B 95, 115437（2017）.

共同研究者
毛利哲夫（東北大学）
遠山貴巳（東京理科大学）
陳迎（東北大学）
星健夫（鳥取大学）
福田将大（東京大学）
Chi-Cheng Lee（東京大学）
Theresa Davey（東北大学）
Nguyen Dung Tran
（東北大学）
森田克洋（東京理科大学）
杉本貴則（東京大学）

問い合わせ先 ： Taisuke Ozaki <t-ozaki@issp.u-tokyo.ac.jp>

気的交 換相互作用を統一して取り扱うことにより、高位置付けられるのか通常は不明である。本 研究では精度 で か つ実 用的な第一原 理 計 算 が 初めて 可 能と多元合金系及び多元ナノクラスターの構造マップの作なった。X 線光電子分 光における理論 解 析の標準手製に取り組み、俯瞰的な立場から構造空間を把握した法として、新二次元物質の構造解析や、触媒の原子レ上で新規 結晶構造の探索に取り組む。具体的には古ベルでの反応機構の解明に大きく寄与することが期待

典計 算と第一原理計 算を併用し、まず古典計 算に基される。本手法を用いて、実験グループとの共同研究

づき 3 元 系の網羅的 構造マップを作製する。得られを行い、新規表面構造の特定に成功した [3-5]。特にた網羅的構造マップを利用して、新規結晶構造が得ら

これまで長く論 争のあった ZrB₂ 上のシリセン構造のれる可能 性の高い探索空間を抽出し、熱力学的な安特定に成功した（図 2）。またグラ定性を含めて第一原理計 算によっ

フェンに単原子 分 散した Pt 原子て精査する。網羅的構造マップはの Pt4f 絶 対束 縛 エネルギーを計

データベースとして整備し、広く一算し、実 験 結果との比較より原子般に公開する。

レベルでの担持構造とその電子状態を初めて明らかにした（図 3）。
スーパーコンピューター「富岳」で取り組む課題

多元合金系及び多元ナノクラスターの構造探索───────────────
新 規 結晶 構造の 探 索は物質デ
ザインの出 発点であり、実 験に先立って新しい構造の予測が出来れ
図 3: 単原子分散 Pt の担持構造ば、真の意 味でシミュレーション駆動型の物質デザインが実現するものと考えられる。最 近、遺伝的
アルゴリズム等に基づく結晶構造
探 索アルゴリズムの開 発 により、
実 験に先立って新しい結晶構造が
見 出され るようになってきた。しかしユニットセルに含まれる原子数 は 20 原子程 度にとど まっており、また新規 結晶構造を得られたとしても俯瞰的な立場からその構造が構造空間において、どの様に

図 2: ZrB₂ 上のシリセン構造と XPS スペクトル .（a）最適 化 構 造。
（b）実 験による XPS（東 京大 学 物 性 研 究 所
吉 信 研 究 室 に よ り 測 定）。
（c）計 算 で 得 ら れ た
buckled-like 構造の XPS スペクトル。
（d）計算で得られた planar-like 構造の XPS スペクトル

024

025

ポスター発表

026

サブ課題

i ）デバイス構造における乱れの理解と制御そして新機能発現

高機能半導体デバイス

Design of high performance interface for electronic devices using RSPACE

A1 RSPACEを用いた電子デバイス用高機能界面のデザイン

t.ono@eedept.kobe-u.ac.jp

027

サブ課題

i ）デバイス構造における乱れの理解と制御そして新機能発現

高機能半導体デバイス

Order-N DFT study of Si/Ge core-shell nanowires

A2 オーダーN法第一原理計算によるSi/Geコアシェルナノワイヤの理論研究

MIYAZAKI.Tsuyoshi@nims.go.jp

028

サブ課題

i ）デバイス構造における乱れの理解と制御そして新機能発現

高機能半導体デバイス

First-principles calculation of GaN with dislocation and impurities and a model for the leakage current

A3 転位および不純物があるGaNの第一原理計算とリーク電流モデルの構築

yosuke.harashima@imass.nagoya-u.ac.jp

029

サブ課題

A4

高機能半導体デバイスi ）デバイス構造における乱れの理解と制御そして新機能発現第一原理計算と熱力学的解析によるGaN MOVPE成長中の炭素取り込みの考察
Study of Carbon Intakes during GaN MOVPE Growth by First-Principles Calculations and Thermodynamic Analysis

okawachi.yuto@g.mbox.nagoya-u.ac.jp

030

サブ課題

i ）デバイス構造における乱れの理解と制御そして新機能発現

高機能半導体デバイス

First-principles study on switching mechanism of superlattice-like phase change memory.

A5 第一原理計算による超格子型相変化メモリのスイッチング機構の考察

ogawa.yutaro@j.mbox.nagoya-u.ac.jp

031

サブ課題

i ）デバイス構造における乱れの理解と制御そして新機能発現

高機能半導体デバイス

First-principles Study of Mg impurities with Screw Dislocation in GaN

A6 第一原理計算によるGaNらせん転位中のMg不純物の研究

nakano.takashi@h.mbox.nagoya-u.ac.jp

032

サブ課題

ⅱ）新材料からの量子論デバイス創製シミュレータ開発

高機能半導体デバイス

Development of Quantum Transport Device Simulator

A7 量子輸送デバイスシミュレータ開発

nobuya.mori@eei.eng.osaka-u.ac.jp

033

サブ課題

i i ）新材料からの量子論デバイス創製シミュレータ開発

高機能半導体デバイス

Analysis of Si Nano-Sheet Transistor Characteristics Using Device Simulation

A8 デバイスシミュレーションによるSiナノシートトランジスタの解析

nobuya.mori@eei.eng.osaka-u.ac.jp

034

サブ課題

ii ）新材料からの量子論デバイス創製シミュレーション開発

高機能半導体デバイス

Modeling of Discrete Impurity and its Implementation in Devise Simulation for Nano-Scale Devices

A9 ナノスケールデバイスにおける離散不純物モデルの構築とその実装

yoshida@bk.tsukuba.ac.jp

035

サブ課題

B1

光・電子融合デバイスi ）光励起電子ダイナミクスによる新奇デバイス原理の探求

第一原理計算によるシリコンの波数励起
First principles calculation of direct wave excitations on silicon

noda@ccs.tsukuba.ac.jp

036

サブ課題

ⅰ）光励起電子ダイナミクスによる新奇デバイス原理の探求

光・電子融合デバイス

Large-scale ab-initio simulation of interaction between intense laser pulse and solid material

B2 大規模計算をもちいた極限パルス光･固体物質相互作用の第一原理シミュレーション

uemoto@ccs.tsukuba.ac.jp

037

サブ課題

B3

光・電子融合デバイスi ）光励起電子ダイナミクスによる新奇デバイス原理の探求

A64FXプロセッサに対する電子動力学アプリケーションSALMONのコデザイン
Co-design of the electron dynamics application SALMON for A64FX processor

hirokawa@ccs.tsukuba.ac.jp

038

サブ課題

i ）高温超伝導体薄膜･界面の理論設計と超伝導転移温度上昇指針の探求

C1 高精度量子多体計算手法を用いた銅酸化物高温超伝導体の第一原理的研究

超伝導・新機能
デバイス材料

study on cuprate superconductor by high-precision many-body numerical solvers

ohgoe@aoni.waseda.jp

039

サブ課題

C2

超伝導・新機能
デバイス材料i ）高温超伝導体薄膜･界面の理論設計と超伝導転移温度上昇指針の探究

ボルツマン機械で迫る高温超伝導の起源
Origin of high temperature superconductivity revealed by Boltzmann machine

yamaji@ap.t.u-tokyo.ac.jp

040

サブ課題

ii ）遷移金属酸化物を含む物質群でのトポロジカル相実現と純粋スピンキャリア創出

C3 強相関トポロジカル物質の励起スペクトル超伝導･新機能
デバイス材料

Excitation spectra of strongly correlated topological materials

yamaji@ap.t.u-tokyo.ac.jp

041

サブ課題

ii ）遷移金属酸化物を含む物質群でのトポロジカル相実現と純粋スピンキャリア創出

C4 テンソルネットワーク法の開発とキタエフスピン液体への適用

超伝導･新機能
デバイス材料

Development of tensor network method and its application to Kitaev spin liquid

小さいテンソルに分解

-4.6
-4.7
-4.8

Ferro

-4.9

12-site

SL

-5
-5.1
-5.2
-5.3
-60

-40

-20

0

20

40

60

t-okubo@phys.s.u-tokyo.ac.jp

042

サブ課題

ii ）遷移金属酸化物を含む物質群でのトポロジカル相実現と純粋スピンキャリア創出

C5 パイロクロア格子上のイリジウム酸化物における量子スピン液体の数値的研究

超伝導･新機能
デバイス材料

Numerical investigation of quantum spin liquids in pyrochlore ididatesrico.pohle@aoni.waseda.jp

043

サブ課題

ⅰ）新規磁性材料開発−電子論と情報統合手法による探索

D1 ベイズ最適化を利用した高効率な結晶構造探索

高性能永久磁石・磁性材料

Eﬃcient crystal-structure prediction using the Bayesian optimizationn.satou@aist.go.jp

044

サブ課題

ⅱ）磁性材料の高性能化−大規模電子状態計算による探索

D2 磁性材料の高性能化−大規模電子状態計算による探索

高性能永久磁石・
磁性材料

Exploration of high-performance magnetic materials by large-scale electronic-structure calculations|Jij | [meV]

Nd

12

13

14

15

16

17

gohda.y.ab@m.titech.ac.jp

045

Fe

B

サブ課題

E1

高信頼性構造材料i ）第一原理計算によるデータ構築とメゾ・マクロへの連結

大規模第一原理計算による鉄中の粒界特性の解明と機械学習との連携
Large-scale ﬁrst-principles calculations of grain boundary properties in bcc Fe and the combination with machine-learning techniques

m-kohyama@aist.go.jp

046

サブ課題

i ）第一原理計算によるデータ構築とメゾ･マクロへの連結

高信頼性構造材料

Development of First-Principles (FP) Phase Field (PF) Method

E2 第一原理（FP）フェーズフィールド（PF）法の開発

pham-nu-xg@ynu.ac.jp

047

サブ課題

E3

高信頼性構造材料ⅱ）大規模Phase Field法計算の実行

一方向凝固過程における柱状粒の競合成長：フェーズフィールド法による研究
Competitive growth of columnar grains during directional solidiﬁcation: A phase-ﬁeld study

guocw@kit.ac.jp

048

サブ課題

F1

次世代機能性化学品i ）ポリマーの物質分配機能の解析

分子動力学シミュレーションを用いた長鎖高分子化学ポテンシャルの高速計算手法の開発
Development of high-speed calculation method of long chain polymers chemical potential using molecular dynamics simulation

k.yamada@cheng.es.osaka-u.ac.jp

049

サブ課題

F2

次世代機能性
化学品ⅱ）有機／無機界面の物性に関する計算

有機／無機界面シミュレータの接着への適用
Application of simulators for organic/inorganic interfaces in adhesion problems

uranagase.masayuki@nitech.ac.jp

050

サブ課題

i ）基盤的第一原理電子状態計算ソフトウエアの開発･整備

G1 全電子FLAPW計算コードHiLAPWの開発

共通基盤
シミュレーション手法

Development of All-Electron FLAPW Calculation Code HiLAPW

oguchi@sanken.osaka-u.ac.jp

051

サブ課題

ⅰ）基盤的第一原理電子状態計算ソフトウエアの開発・整備

G2 不完全な実験データを用いたデータ同化による結晶構造探索

共通基盤
シミュレーション手法

Crystal structure prediction by assimilating incomplete experimental datayoshikawa@cms.phys.s.u-tokyo.ac.jp

052

サブ課題

ⅱ）物質構造と相変化の探索手法の開発

G3 第一原理ベースの新CALPHAD相図計算手法の探索と開発

共通基盤
シミュレーション手法

Development of a thermodynamic evaluation system to produce physically meaningful ﬁrst-principles phase diagrams

theresa@tohoku.ac.jp

053

サブ課題

iii ）基盤的並列計算アルゴリズムの開発

G4 コデザインに基づく数理アルゴリズムとライブラリの開発

共通基盤
シミュレーション手法

Development of fundamental algorithms and libraries

hoshi@tottori-u.ac.jp

054

サブ課題

iii ）基盤的並列計算アルゴリズムの開発

G5 超並列100ナノメートル電子状態計算と有機デバイス材料研究の産業展開

共通基盤
シミュレーション手法

Massively parallel 100-nm-scale electronic state calculation and its industrial application to organic device material research.

hoshi@tottori-u.ac.jp

055

サブ課題

iii ）基盤的並列計算アルゴリズムの開発

G6 革新的表面構造解析に向けた超並列データ駆動科学と測定技術の融合

共通基盤
シミュレーション手法

Fusion of massively parallel data-driven science and measurement technology for novel surface structure analysis

hoshi@tottori-u.ac.jp

056

サブ課題

G7 大型実験施設との連携 ─ 強相関電子系･量子スピン系の磁気･電荷励起 ─

共通基盤
シミュレーション手法

ⅳ）大型実験施設との連携

Collaboration with Large Experimental Facilities: Spin and Charge Excitations in Strongly Correlated Electron/Quantum Spin Systems

tohyama@rs.tus.ac.jp057

sotas@riken.jp

CDMSIに関するお問い合わせ058