計算物質科学研究センター
Center of Computational Materials Science
京コンピュータに代表される近年のコンピュータ

As symbolized by the K-computer, massively
parallel computation is actively used for solving
problems in materials science in recent years. Infact, computer-aided science has been providing
answers to many problems ranging from the mostfundamental ones, such as critical phenomena inquantum magnets, superconductors, and superfluids,
to the ones with direct industrial applications, suchas semiconductor devices and electrode chemical
reactions in batteries. Due to the recent hardware
trends, it is now crucial to develop a method forbreaking up our computational task and distributeit to many computing units. In order to solve thisproblem in an organized way, we coordinate theuse of the computational resources available to ourcommunity, including “K-computer” and ISSP supercomputers. We also support the activities of CMSI,
an organization of the materials science community.
In particular, we operate the web site, MateriApps,
which offers easy access to various existing codes inmaterials science as well as cooperative code-development environments. In addition, we are also leadingthese activities to solutions to problems with more
direct social impacts such as substitutions of rareelements.

ハードウェアの発展にともなって、大規模数値計算による物質科学へのアプローチが盛んである。
コンピュータを利用した精密な物性予測によって、磁性体・超伝導・超流動における量子臨界現象など物性物理学の基礎的な問題から、半導体デバイス設計や燃料電池における電極 反応など近い将来産業応用に結びつくことが期待される応用問題に至るまで、広い範囲において重要な成果が挙がっている。近年のハードウェアの多階層化・並列化により、プログラマには多くのコアに効果的に計算を分業させる工夫が必要であり、このことが計算物質科学研究における挑戦課題となっている。本センターでは、「京」や、物性研究所共同利用スパコンを始めとする様々な計算資源を活用して、この課題に組織的に取り組んでいる。そのために、計算物質科学コミュニティの組織である
計算物質科 学イニシアティブ（CMSI）の活動を支援し、コミュニティソフトウェア開発・普及のためのサイト MateriApps の開発・運用を行ってい
るほか、大規模並列計算を希少元素の代替や有効活用という社会的問題解決へとつなげる試みも行っている。
教 授*

髙田康民

助

教*

野口教授
（副センター長）**

川島直輝

助

教 **

芝教授（センター長）***

常行真司

助

教 **

渡辺

特任教授

赤井久純

助

教 **

特任教授

尾崎泰助

助

准教授 *

杉野准教授 **

Professor

特任研究員

河野貴久

特任研究員

坂下達哉

宙志

特任研究員

趙 滙海

笠松

秀輔

特任研究員

吉澤教 **

森田悟史

特任研究員

五十嵐修

技術専門職員

山崎淳

特任研究員

土居

野口博司

学術支援専門職員 三浦淳子

特任研究員

エムディー・モシュール ラハマン

藤堂眞治

学術支援専門職員 早川雅代

特任研究員

ファム ティエンラム

TAKADA, Yasutami

Professor (Deputy Director) KAWASHIMA, NaokiProfessor (Director)
Project Professor
Project Professor
Associate Professor
Associate Professor

准教授 ***Associate Professor

TSUNEYUKI, Shinji
AKAI, Hisazumi
OZAKI, Taisuke

SUGINO, Osamu
NOGUCHI, Hiroshi
TODO, Synge

良史

Research Associate NOGUCHI, Yoshifumi

隼人

Research Associate SHIBA, Hayato
Research Associate WATANABE, Hiroshi
Research Associate KASAMATSU, Shusuke
Research Associate MORITA, Satoshi
Technical Associate YAMAZAKI, Jun
Technical Associate MIURA, Atsuko
Technical Associate HAYAKAWA, Masayo

Project Researcher KOUNO, Takahisa
Project Researcher SAKASHITA, Tatsuya
Project Researcher ZHAO, Hui-Hai香奈子

Project Researcher YOSHIZAWA, Kanako亮

Project Researcher IGARASHI, Ryo抄太郎

Project Researcher DOI, Shotaro

Project Researcher MD. MOSHIOUR, Rahaman
Project Researcher PHAM, Tien Lam

特任研究員

古宇田光

特任研究員

植村 渉

特任研究員

大久保毅

特任研究員

小西 優祐

Project Researcher
Project Researcher

KOUTA, Hikaru

OKUBO, Tsuyoshi

Project Researcher UEMURA, Wataru
Project Researcher KONISHI, Yusuke* 物性理論研究部門と併任 /concurrent with Division of Condenced Matter Theory** 物質設計評価施設と併任 /concurrent with Materials Design and Characterization Laboratory*** 理学系研究科物理学専攻と兼任 / concurrent with Physics Department, Graduate School of Science62
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Center of Computational Materials Science
http://www.issp.u-tokyo.ac.jp/maincontents/organization/labs/akai_group.html

赤井研究室

赤井久純

AKAI, Hisazumi

Akai Group特任教授

Project Professor

計算機マテリアルデザインは量子デザイン（量子力学に基Our main objective is to theoretically produce new functionality materials by means of computational materials design(CMD). In particular, the development of new high-performance permanent magnets is one of our main targets. CMD
aims at to design materials and/or structures on the basis ofquantum mechanics. This corresponds to the inverse problem ofquantum simulation. In general, solving such a problem is very
difficult, but in the case of CMD we can solve this by making
use of the knowledge, which is obtained through quantum
simulations, about underlying mechanisms that realize a specificfeature of materials. In this regards, the developments of new
methods of quantum simulation are also our very important
subjects. Among them are developments of methods of accurate
first-principles electronic structure calculations in general, firstprinciples non-equilibrium Green’s function method, screened
KKR-method that realizes exact order-N calculation for hugesystems, and the methods beyond LDA.

づいて、与えられた物性や機能を有する物資・構造を推論すること）によって実行される。このような問題を解く事は一般に困難であるが、量子物質デザインの場合、量子シミュレーションを繰り返し、物性発現の機構を計算機実験によって明らかにすることによって解くことができる。計算機マテリアルデ
ザインによる、金属、半導体、金属間化合物をおよびそれらのナノ構造を用いた高機能材料の理論的開発を研究テーマとしている。特に、高性能永久磁石の創成が重要な課題の一つである。このような量子デザイン、量子シミュレーションにおいては手法の開発も重要な研究課題であり、高精度第一原理計算手法の開発とともに、KKR グリーン関数法に基づいた第一原理非平衡グリーン関数法の開発、オーダー N 計算を実現する遮蔽 KKR 法、密度汎関数法に対するより良い近似的の開発等を推進している。

新しいタイプの永久磁石材料 Sm2Fe17Nx の磁気異方性の N 濃度の依存性。N を増やすとともに磁気異方性が面内から一軸性に変化して永久磁石材料として使えるようになることが知られているが、第一原理計算によってその振る舞いが再現されている。

ZnS に Cr と Fe を固溶させると磁化がゼロであるにもかかわらずハーフメタルになるという特別な磁気状態が実現する。CMD によってデザインされたが、このほかにも CrFeS2 等の多くの金属間化合物系で出現が予言されている。

ZnS doped with Cr and Fe is predicted to be a half-metallic antiferromagnet(compensated ferri-magnet) (HM-AF). Also we have predicted that manyother intermetallic compounds such as CrFeS2 might be HM-AF.

The magnetic anisotropy energy (MAE) of a new type of magnet Sm2Fe17Nx.
The experimental observation that MAE changes its sign from in-plane touniaxial anisotropy, which is necessary for permanent magnets, is correctly
reproduced by our first-principles calculation.

研究テーマ Research Subjects
1. 第一原理電子状態計算
First-principles electronic structure calculation
2. 計算機マテリアルデザイン
Computational materials design (CMD)
3. KKR グリーン関数法とその応用
KKR Green's function method and its applications
4. 磁性と永久磁石の開発
Magnetism and development of new permanent magnets

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尾崎研究室

尾崎泰助

OZAKI, Taisuke

Ozaki Group

特任教授

Project Professor

近年の超並列計算機の発展と物質科学の精密化に伴い、In accordance with development of recent massively parallel
computers, first-principles calculations based on density
functional theories (DFT) have been playing a very importantrole in understanding and designing properties of a wide varietyof materials. We have been developing efficient and accurate
methods and software packages to extend applicability of DFT
to more realistic systems as discussed in industry. Although
the computational cost of the conventional DFT method scales
as the third power of number of atoms, we have developed anO(N) Krylov subspace method, of which computational costscales only linearly, based on nearsightedness of electron. TheO(N) method enables us to simulate Li ion battery, structural
materials, and graphene nanoribbon based devices which cannot
be easily treated by the conventional method, and to directlycompare simulations with experiments. In addition to this, weare aiming at realization of materials design from first-principles. As a first step towards the materials design, we have been
trying to develop a method to predict complicated crystal structures based on machine learning techniques. Our continuous
methodological developments have been all implemented inOpenMX (Open source package for Material eXplorer), which
has been released to public under GNU-GPL, and widely usedaround world for studies of a wide variety of materials.

第一原理電子状態計算の重要性が増している。我々は密度汎関数理論に基づき、より現実に近い系をより精密に取り扱うための新しい計算手法・ソフトウエアパッケージの開発に取り組んでいる。密度汎関数法の計算量は通常、系に含まれる原子数の三乗に比例するが、電子の近視性に着目し、計算量が原子数に比例するオーダー N クリロフ部分空間法を開発した。本手法により、これまで取り扱いが困難であったリチウムイオン電池、鉄鋼材料、グラフェンナノリボンデバイスの大規模第一原理シミュレーションが可能となり、実験との直接的な比較が可能となりつつある。さらに我々は実際の実験に先立って所望の化学的・物理的性質を持つ物質を計算機上で設計する物質デザインを目標に掲げ、研究を進めている。そのための第一歩として機械学習の手法を用いて複雑な結晶構造を予測するための方法論の開発に取り組んでいる。また開発した計算プログラムをオープンソースソフトウエア OpenMX（Open source package for MaterialeXplorer）として無償で一般公開し、国内外の研究者により多岐に亘る物質群の研究に広く用いられている。
オーダー N クリロフ部分空間法のアイデア。(1) 原子毎に有限距離内に含まれる原子から構成されるクラスターを構成し、(2) さらにクラスターで定義される部分空間からクリロフ部分空間への射影を行う。(3) クリロフ部分空間内で固有値問題を解き、中心原子に関与するグリーン関数を計算した後、元の空間への逆変換を行う。

オーダー N クリロフ部分空間法で
得 ら れ た BCC 鉄 と NbC の 部 分
整 合 界 面 の 最 適 化 構 造。NaCl 構造 の NbC(100) 面 と BCC 構 造 のFe(100) が Baker-Nutting の 関 係[010] NbC //[011] Fe , [001] NbC //―[011]Fe の結晶方位で部分整合界面を形成する。炭素原子と鉄原子の強い相互作用のために Fe 原子が C原子に近づき、歪みが内部に及んでいることが分かる。

Underlying idea of the O(N) Krylov subspace method. (1) Constructionof truncated cluster for each atom by picking atoms up within a sphere. (2)Projection of the truncated subspace into a Krylov subspace. (3) Solutionof the eigenvalue problem in the Krylov subspace, calculation of Green’sfunction associated with the central atom, and back-transformation to theoriginal space.

Optimized semi-coherent interface structure between BCC Fe and NbC bythe O(N) method. BCC Fe (100) and NbC(100) in the NaCl structure forms
semi-coherent interface
structure in the Baker-Nutting relation: [010]NbC//—[011]Fe, [001]NbC//[011]Fe. Iron atoms approaches to carbon atom due tostrong interaction between carbon and iron atoms, resulting in that structural strain affects into the inner part of iron.

研究テーマ Research Subjects

1. 第一原理電子状態計算における効率的計算手法・アルゴリズムの開発
Development of efficient methods and algorithms for first-principles electronic structure calculations
2. 第一原理電気伝導計算手法の開発
Development of first-principles electronic transport calculations
3. 二次元シリコン構造の第一原理電子状態計算
First-principles calculations of two-dimensional Si structures
4. 高性能磁石材料の構造・機能の探索
First-principles exploration of permanent magnet materials
5. OpenMX の開発と公開
Development of OpenMX

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