コンピューティクスによる物質デザイン : 複合デザインと非平衡ダイナミクス
ニュースレター No.3, June 2013

ニュースレター vol.1

後半戦スタート！
研究紹介と解説
A01 公 募 班： 超 大 規 模 超大規模電子状態計算がもたらす 2 種の電子状態計算がもたらす 数理・情報科学的問題
2 種の数理・情報科学的 – calculation 問題と big data 問題 –重要になる。
以下、論文 [2] を中心に、(a)(b) の視点で議論する。

問題
1. 総論– calculation 問題と bigdata 問題 –星健夫（鳥取大学）

筆者らの取り組んでいる超大規模超並列

2. Calculation 問題：超並列オーダー N
計算理論と「京」コンピュータ

電子状態計算を、数理・情報科学的視点か

Calculation 問題として、超並列オーダー

ら（物理学用語を極力使用せずに）紹介すN 計算理論構築に取り組んだ。具体的にる。これらは当領域 A01 分野メンバーでは、「行列生成＋大行列ソルバー＋物理量

ある、曽我部知広（愛知県立大）、張紹良・計算」（の繰り返し）を一体と考え、アル宮田考史（名古屋大）らとの共同研究であゴリズムを構築することである。ここでる。近年筆者らは、計算科学と計算機科学

は、従来型の問題設定である一般化固有値の融合として、1,000 万原子系までの超大問題 ( Hy = eSy ) ではなく、一般化シフ

規模超並列電子状態計算コード ELSES[1]ト型線形方程式 ( ( zS − H ) x = b ) に対すの開発と応用に取り組んでいる。中核となるクリロフ部分空間理論 [2,3,4] を数理的るのは、新しい超並列オーダー N 線形計

基礎としている。これらソルバー群は数理

算アルゴリズム群 [2,3,4] である。我々の的に汎用であり、他物理分野にも適用でき

大規模電子状態計算は基礎から産業応用まる [5]。

での垂直的プロジェクトであるが、個々の応用計算として、「京」コンピュータの論点は、数理・情報科学的視点から汎用で

98,304 CPU コアまでで実行した [2]。物あり、今後は他分野への水平的波及も目指

質 系 と し て は、 有 機 EL 型 π 共 役 高 分 子

していきたい。

系であるアモルファス状 poly-(9,9 dioctil

数理・情報科学的視点から課題を大別す

flourene)（aPF） お よ び、sp2-sp3 ナ ノ 複ると、合カーボン固体 (NCCS) をとりあげた。図(a) Calculation 問題 … 計算量が多い問題

1(a) にオーダー N スケーリングを示し、（b）（入力データ量 << 出力データ量）。

では 1,000 万原子系での並列性能を示し(b) Big data 問題 … データ量が多い問題た。計算には第一原理にもとづくモデル化（入力データ量 >> 出力データ量）。

(TB 型 ) 理論を用いている。

にわけられる。電子状態計算は通常 (a) にクリロフ部分空間による数理手法は汎用相当する。入力データは原子座標（原子数であるが、個別の問題における最適性を目

N に対して 3N 個の実数データ）のみであ

指すには、行列性質（疎密性や固有値分布

り、出力データはそれより遥かに膨大な電など）や目的物理量にもとづく系統的研究

子状態データになる。しかし、「京」などが重要である。しかし、このような物理学

での超大規模計算から膨大なデータが生成

分野横断型研究はほとんど行われておらされ、post-simulation 解析としての (b) もず、今後の課題である。一助として、応用

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数理系研究者からの要望で、実問題にお「京」) 時代もにらみ、さらに重要となろける行列データを公開した (http://www.

う。本研究の展望としては、さらなる加速

elses.jp/matrix/)。

だけでなく、電子物性への適用など、質的

ELSES を用いた最近の研究としては、西な発展も重要となる。解法としては、クリ野信也 ( 東大 )・山崎久嗣 ( トヨタ自動車 )ロフ部分空間以外の研究（例えばシルベス

らによる電池物質研究 ( イオン液体 PP13-

タ慣性定理に基づく研究 [8]）も開始して

TFSI お よ び thio-LISICON Li4GeS4, Li3PS4)いる。本研究以外に大行列固有値問題の研[6] や、西野・大谷泰昭 ( ヒューリンクス )究としては、例えば当領域 A01 分野メンらによる手法 ( 最適モデル自動構成 ) 研究バーである櫻井鉄也・多田野寛人 ( 筑波大 )[7] もある。

[9]・今村俊幸（理研）[10] ・山本有作 ( 神戸大 )[11] らの研究がある。海外の関連ラ

3. Big data 問題：伝搬関数に基づく超並列量子解析および可視化
複雑なナノ物質計算から物理的知見をえるための結果解析は、膨大な電子状態デー

イブラリとしては、ELPA[12]、FEAST[13]などがある。物理分野のニーズに合わせた展望としては、種々の数理手法を複合することがあげられる。

タを対象とする「big data」問題である。
特に、データ分散性を意識した解析手法【参考文献】

が必要である。大規模データ解析として、[1] http://www.elses.jp/; http://www.

10nm スケール系である sp2-sp3 ナノ複合

damp.tottori-u.ac.jp/~hoshi/

カーボン固体 (NCCS) に取り組んだ [ ２]。

[2] T. Hoshi, Y. Akiyama, T. Tanaka and T.

結果を図２にしめす。伝搬 ( グリーン ) 関

Ohno, J. Phys. Soc. Jpn. 82, 023710, 4pp

数をもちいた量子解析手法である π COHP

(2013).

2理論を提案し、sp ( グラファイト的 ) 領域
3[3] H. Teng, T. Fujiwara, T. Hoshi, T. So-と sp ( ダイヤモンド的 ) 領域を、定量的・

gabe, S.-L. Zhang, S. Yamamoto, Phys. Rev.

自動的に判別した。一般化シフト型線形

B 83, 165103, (2011); 山下達也 , 宮田考

方程式を通じて伝搬関数を計算するため、

史 , 曽我部知広 , 星健夫 , 藤原毅夫 , 張紹良 ,データ分散性を完全に保持したまま（ノー日本応用数理学会論文誌 21, 241 (2011);

ド間通信を一切使わずに）上記解析が実行

T. Hoshi, S. Yamamoto, T. Fujiwara, T.

された。

Sogabe, S.-L. Zhang, J. Phys.: Condens.

このような「big data」問題では、可視

Matter 24, 165502, (2012); T. Sogabe, T.

化やファイル IO も含めた、汎用 IT 技術とHoshi, S.-L. Zhang, T. Fujiwara, J. Comp.

の融合も重要となる。本研究では Python

Phys. 231, 5669 (2012).

と OpenGL による独自可視化ツール「Vis-[4] 少し詳しい解説として、星、当領域報

BAR」を開発した [2]。ファイル IO は分割

告書平成 24 年度版（印刷中）。

XML ファイルを基盤として、「京」での超[5] 例えば、基本数理原理の１つである共並列ファイル IO 機構（「ランクディレクト

線残差定理 ( 下記 [a]) はドイツの数学者

リ」）を用いた。

Frommer によるものであるが、QCD の計算例 [a][b] とともに論じされている。我々

4. 将来展望の研究としては大規模系 ( 最初の論文は

物 理・ 数 理・HPC 分 野 の 連 携 は、[c]) の 他、 多 体 問 題（full-CI 型 計 算 ）[d]「Application-Algorithm-Architecture co-が あ る。 さ ら に、shell model 計 算 [e]、design」とも呼ばれ、ポストペタ ( ポスト

GW 計 算 [f]、TDDFT 計 算 [g] な ど、 多 彩

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な分野での応用研究がある。[a] Frommer,[9] Y. Futamura, T. Sakurai, S. Furuya

Computing 70, 87 (2003).[b]Bloch, et al.,and J.-I. Iwata, Proc. VECPAR2012, LNCS

Comp. Phys. Comm. 181, 1378 (2010) [c]7851, pp.226-235 (2012); 櫻 井 鉄 也 , シ

Takayama, et al, PRB 73, 165108 (2006).

ス テ ム 制 御 情 報 学 会 誌 55 (8), 333-338[d] Yamamoto, et al. PRB 76, 165114(2011); http://h4es.cs.tsukuba.ac.jp(2007); JPSJ 77,114713 (2008). [e][10] T. Imamura, S. Yamada, M. Machida,

Mizusaki, et al. PRC 82, 024310 (2010).

Progress in Nuclear Science and Technol-[f] Giustino, et al., PRB 81, 115105 (2010).

ogy, the Atomic Energy Society of Japan,[g] 篠原康 , 他 , 日本物理学会 , 2012 年 3 月 .

Vol. 2, pp.643-650 (2011); 7th Interna-[6] S. Nishino, T. Fujiwara, H. Yamasaki,tional Workshop on. Parallel Matrix Al-

S. Yamamoto, T. Hoshi, Solid State Ionics

gorithms and Applications (PMAA2012),

225, 22 (2012);

June 2012, London; 今村俊幸 , 山田進 , 町

山 﨑 久 嗣 , 加 藤 祐 樹 , 西 野 信也 , 藤 原 毅

田昌彦 , 第 17 回計算工学会講演会 , 2012

夫 , 第 38 回固体イオニクス討論会 , 京都 ,年5月

2012 年 3 月 .

[11] Y. Takahashi, Y. Hirota and Y. Ya-[7] S. Nishino and T. Fujiwara, J. Mol.

mamoto, Proceedings of ALGORITMY

Model, in press

2012, pp. 151–160 (2012); (http://(http://link.springer.com/arti-

www.iam.fmph.uniba.sk/algoritmy2012/cle/10.1007/s00894-013-1767-2); Y.

zbornik/16Takahashi.pdf ); 廣田悠輔 , 橋本

Ohtani, T. Suzuki, T. Fujiwara, S. Nishino, S.

拓也 , 山本有作 , 情報処理学会論文誌コン

Yamamoto, and Y. Zempo, MRS Fall Meet-

ピューティングシステム（ACS）, Vol. 5,

ing, November 25-30, Boston, 2012.

No. 5, pp. 163-176 (2012).

[8] D. Lee, T. Miyata, T. Sogabe, T. Hoshi,[12] http://elpa.rzg.mpg.de/and S.-L. Zhang, International Symposium[13] http://www.ecs.umass.edu/~polizzi/

on Computics: Quantum Simulation andfeast/

Design, Osaka-U, Oct.(2012).

図 1：新しい数理ソルバーを使ったベンチマーク [2]。(a) オーダー N スケーリング。(b)「京」
における並列効率（ストロングスケーリング）。物質名 (aPF, NCCS) は本文参照。

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図 2：量子解析理論 ( π COHP 理論 ) を用いた、sp2-sp3 ナノ複合カーボン固体系 (NCCS)の可視化解析 [2]。(a) sp2,sp3 ドメイン両方の可視化。(b)sp2 ドメインのみの可視化。(c)sp2/sp3 ドメイン境界の拡大図。

研 究 代 表 者

星 健 夫（ 鳥 取 大

学）
研究協力者

曽我部知広（愛知県立大）、

張紹良（名古屋大）、宮田考史（名古屋大）

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A02 公 募 班： 理 論 計 算によるコイルドコイルを用いた機能性遷移金属蛋
白質の
演繹的デザインDe novo design of thefunctional transition
metal proteinsusing a coiled-coil architecture
鷹野優（大阪大学）

理論計算によるコイルドコイルを用いた機関を明らかにするため、電子伝達部位 CuA

能性遷移金属蛋白質の（パープル銅）の酸化還元電位と強く関わ演繹的デザインる物理量であるイオン化ポテンシャルを対De novo design of the functional transition

象として調べてきた。その結果、軌道相互

metal proteins

作用をもちいて明瞭に解釈する事ができ、

using a coiled-coil architecture

さらにはどの軌道相互作用が重要であるかを明らかにした [3]。また、連携研究者の1. はじめに田中との共同研究で、4 本鎖コイルドコイ

人工蛋白質はオーダーメードで新規機能

ル蛋白質へのパープル銅の導入に成功し、性物質をつくることができるのみならず、その構造評価をおこなった [4]。蛋白質溶設計において蛋白質の機能発現に何が必要

液は濃紫色を呈し、分光学測定においてかを分子レベルで理解できるため盛んに研

パープル銅サイトに特徴的なスペクトルが究が行われている [1,2]。しかし人工遷移観測された。拡張 X 線吸収微細構造分析

金属蛋白質に関しては、まだ経験的であり（EXAFS）および理論計算によるモデリン

設計に必要な理論的な関係は明らかにされグにより、既報のパープル銅サイトに酷似ていない。これまでの研究によって得られした構造が得られている。

た「蛋白質の機能発現では、活性中心が固有に持つ性質を蛋白質環境が強め、制御し2. 電子伝達部位 CuA の電子構造の分子構ている」という作業仮説にもとづき、本公造−電子構造相関に関する理論的研究

募研究では、密度汎関数法、分子動力学計

電子伝達部位 CuA は、シトクロム c 酸

算、QM/MM 計算を併用した「コイルド化酵素や亜酸化窒素還元酵素の中で電子伝コイルを使った銅蛋白質の理論設計」を通達に働く金属中心である [5,6]。シトクロ

じて、蛋白質環境−活性中心の分子構造−

ム c 酸化酵素は呼吸の電子伝達系において

電子構造−機能の定量的な関係を明らかに4 分子のシトクロム c からそれぞれ 4 電子

し、コンピューティクスによる新規物質のを受け取り、酸素から水への還元により得

演繹的デザインに対する一つのプロトコーられた自由エネルギーによってプロトン輸

ルとして「新規の人工的な遷移金属蛋白質送を行う（図 1A, B）[5]。その中で CuA はの理論設計指針」を提示することを目的とシトクロム c からはじめに電子を受け取している。

り、heme a を 通 し て、heme a3 と CuB か

これまで、人工蛋白質の理論設計に必要らなる触媒部位に送る。その際、CuA ではと考えられる分子構造−電子構造−機能相

酸化還元反応により電子伝達がおこるが、

図 1：シトクロム c 酸化酵素の X 線結晶構造 (A) と模式図 (B)、CuA 部位 (C)コンピューティクスによる物質デザイン : 複合デザインと非平衡ダイナミクス
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還元型で銅中心が CuI − CuI で S=0 の閉殻状態、酸化型では CuII–CuI: S=1/2 の不対電子を持つ状態になることが知られている。CuA の分子構造は、図 1C に示すように、二核の銅イオンが二つのシステイン残基 (Cys) によって架橋され、二つのヒスチ
ジン残基 (His)、メチオニン残基 (Met) お
よびペプチドカルボニル基 (peptide) が配位している。

図 2：πu 基底状態 (A) と σu* 基底状態 (B)錯体モデルは不対電子が πu 軌道を占める
πu 基底状態になり、CuA は不対電子が σu*軌道を占める σu* 基底状態になる。

XAS、Raman、EXAFS、EPR、X 線 構 造
解析の各種実験から、銅 - 銅間距離が短く
直接相互作用していること、そのため、酸化型が、錯体モデルのように πu 基底状態
ではなく、σu* 基底状態をとることが報告されている（図 2）[7]。この σu* 基底状態
は酸化型で不対電子の強い非局在性を示し、[Cu(1.5)-Cu(1.5)] の混合原子価状態になることが報告されており、蛋白質の与える非対称な場であっても不対電子の非局在性を維持でき、速い電子移動が可能となっている。以上のことから CuA 部位では電子移動をスムーズに行うために電子構造がつくられていることがわかる。

図 3：Cu2S2 コアの軌道相関図 .

機能性蛋白質の設計において、望む機能を与える電子構造をつくるための構成要素を明らかにすることが必要である。そこ
で CuA の特異な電子構造に対する最小構
成要素を明らかにするために、密度汎関数法を用いて CuA 部位の電子構造の詳細な解析を行ってきた。Cu2S2 コアの電子構造を調べた結果、πu 軌道は dπ 結合性軌道と pσ* 反結合性軌道からできており、σu*
軌道は dσ* 結合性軌道と pπ 結合性軌道からできていた（図 3）。この軌道相互作用から CuA 部位が σu* 基底状態をとるのは、
Cu2S2 コアの Cu-Cu 間の直接相互作用に加図 4：CuA 部位の Cu-Cu・S-S 距離の分布

えて、エクアトリアル位に配位子が配位することで Cu2S2 コアの σu* 軌道と軌道相互の解明に着手した。まずが 2.0 Å 以下の解作用をし、強い非局在性を示すためである

像度をもつ X 線結晶構造から Cu2S2 コア

ことを明らかにした [8]。

の構造分布を調べたところ、Cu-Cu 間距離

つぎに、人工蛋白質の理論設計に必要とが 2.34 〜 2.59 Å、S-S 間距離が 3.76 〜 4.24

考えられる分子構造−電子構造−機能相関Å と多様な分布を示していた（図 4）。そ

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こで、その分子構造構造の多様性と電子構造の関係を、密度汎関数法を用いて調べた[3]。
モデルの作成には、様々な生物種のシ
トクロム c 酸化酵素、亜酸化窒素還元酵
素で、解像度が 2.0 Å 以下の結晶構造データを用いた。(PDB ID: 1V54, 1V55, 2CUA,
2DYR, 2EIJ, 2GSM, 3ABK, 3ABM, 3AG2,
3AG3, 1FWX, 2IWF, 2IWK, 1CC3）モデル

図 5：CuA 部位のモデル

としては、二核の銅イオンと架橋するシ
ステイン (Cys) からできている core model

水素原子の位置のみ構造最適化した。密度と、CuA 部位の第一配位圏（システイン

汎関数法には、M06 法 [9] を用いた。基(Cys)、ヒスチジン (His)、メチオニン (Met)、

底関数には銅イオンに Wachters+f を、そpeptide）までとりこんだ ligand model を

れ以外には 6-311++G (df,pd) を用いた。

構築した。モデルの作成にあたって配位子

さ ま ざ ま な Cu-Cu 間 距 離 や S-S 間の Cα 炭素は水素原子に置き換え（図 5）、

距 離 を 持 つ CuA 部 位 の モ デ ル に 対 し

図 6：core model (A, B) と ligand model (C, D) における、Cu-Cu 間距離 (A, C)、S-S 間距離 (B,D) とイオン化ポテンシャルの相関と相関係数 R

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ニュースレター vol.1て、電子伝達部位 CuA の酸化還元電位と強く関わる物理量であるイオン化ポテン
シャル（IP(σu*)）を計算した。その結果、
図 6A, B に 示 す よ う に、core model に 関
しては Cu-Cu 間距離依存性、S-S 間距離依存性が確認された。これらの依存性は、図図 7：σu* 軌道を構成する dσ* 軌道と pπ 軌

7 に示すように σu* 軌道を構成する反結合

道

性 dσ* 軌道と結合性 pπ 軌道の性質から説明することができる。CuA 部位が酸化型になる際に σu* 軌道から電子が抜けるため、
σu* 軌道の軌道エネルギーの大きさによりイオン化ポテンシャルの大きさが決まる。
Cu-Cu 間距離が小さくなると、反結合性軌
道のため dσ* 軌道の軌道エネルギーは上昇する。一方 S-S 間距離が大きくなるとため pπ 軌道の結合性相互作用による安定化が弱まるため、
軌道エネルギーが上昇する。
その結果、dσ* 軌道と pπ 軌道により構成
される dσ* 軌道の軌道エネルギーが上昇
し、電子が抜けやすくなるため、イオン化
ポテンシャルが減少する。
また、イオン化ポテンシャルと Cu-Cu

図 8：ligand model の Cu-N(His) 間距離とイオン化ポテンシャルの相関と相関係数 R

間距離の相関係数が 0.954 と非常に強い相関があることが明らかとなった。σu* 軌
道の形状から軌道エネルギーを担う相互作用には、Cu-Cu 間の直接相互作用と Cys の
硫黄原子の π 軌道を介した超交換相互作用が考えられる。Cu-Cu 間距離の強い相関は
σu* 軌道の軌道エネルギーの大きさを支配しているのが Cu-Cu 間の直接相互作用で

図 9：コイルドコイルの模式図あることを示唆している。
次に、ligand model の結果を図 4C, D にと予想通り強い相関を確認できた ( 図 8) 。

示 す。ligand model で は、 イ オ ン 化 ポ テ
ンシャルの Cu-Cu 間距離依存性がなくなっ

3. 4 本 鎖 コ イ ル ド イ ル 蛋 白 質 へ の CuAてしまった（図 6C）。これは、イオン化ポ（パープル銅）サイト導入・構造評価

テンシャルを決める σu* 軌道の軌道エネル

コイルドコイルは 2 つから 7 つのαヘギーを決定する要因が core model のとき

リックスがロープの様に巻いた形をしたタに示唆された Cu-Cu 間直接相互作用ではンパク質の構造モチーフの一つである。αなく、配位子（特に His）と Cu の相互作

ヘリックスの疎水面を互いに向かい合わせ用によるためであると考えられる。そこで、た疎水相互作用により自己集積しており、

Cu-N 間距離とイオン化ポテンシャルの相

一部の疎水基の変異に対してコイルドコイ

関をしらべたところ、相関係数が 0.808

ル構造が保たれることが知られている。

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これまでの 4 本鎖コイルドコイル蛋白

トルが観測され、スペクトル強度の温度依質へのブルー銅部位導入や理論計算による存性より二核構造を持つことが示された。

モデリングで得られた知見をもとにしてさらに、X 線吸収近傍構造 (XANES) スペ[10]、
コイルドコイル蛋白質への CuA（パークトルより、金属中心は [Cu(1.5)-Cu(1.5)]プル銅）部位導入を実施し、その構造評価の mixed valence な状態であることが示唆をおこなった [4]。

され、拡張 X 線吸収微細構造分析（EXAFS）

CuA（パープル銅）サイト形成に重要なおよび、理論計算を用いた構造モデリング2 つの Cys 残基、2 つの His 残基がコイル

にて bi-AM2C 活性中心の構造を検討した

ドコイルの内部（a 位と d 位）に配置されところ、既報のパープル銅サイトに酷似しるようアミノ酸配列を考慮した蛋白質（bi-た構造が得られた（図 11C）
。以上の結果AM2C）を新規設計した（図 9, 10）。設計

より、パープル銅蛋白質の設計、構築に初された蛋白質を大腸菌により発現させたとめて成功した。

ころ、蛋白質溶液は過剰量の銅イオンの添加で濃紫色を呈し、パープル銅サイトに【参考文献】

特徴的な吸収帯をすべて満足する紫外 - 可[1] Koder et al. Nature 2009, 458, 305.

視吸収スペクトルが得られた（図 11A,B）。

[2] Röthlisberger et al. Nature 2008, 453,

電子常磁共鳴（EPR）スペクトル測定にお305.

いてもパープル銅サイトに特徴的なスペク[3] Takano et al. Int. J. Quantum Chem.

図 10：bi-AM2C のアミノ酸

図 11：bi-AM2C の溶液 (A)・吸収スペクトル (B) とモデリングによる構造

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2012, 112, 3756.
[4] Shiga et al. Biochemistry, 2012, 51,7901.
[5] Malmström, Chem. Rev. 1990, 90,
1247.
[6] Kroneck et al. Biol. Met. 1990, 3, 103.
[7] Solomon et al. Chem. Soc. Rev. 2008,
37, 623.
[8] Takano et al. Int. J. Quantum Chem.
2012, 112, 253.
[9] Zhao and Truhlar Theor. Chem. Acc.
2008, 120, 215.
[10] Shiga et al. J. Am. Chem. Soc. 2010,
132, 18191.

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A03 公 募 班： 量 子 多 成
分系分子理論の深化と物質デザインへの展開：
Development of quantum multi-component
molecular theory andits application to material design
立川仁典（横浜市立大学）

量子多成分系分子理論の深化と物質デザイ

対する陽電子親和力が実験的に測定されてンへの展開：

いるものの [10]、陽電子吸着に関する詳

Development of quantum multi-compo-

細は十分に解明されていない。そこで本研

nent molecular theory and its application

究ではアミノ酸分子の陽電子吸着能を明ら

to material design

かにすることを目的に、電子・陽電子を量
子力学的粒子として取り扱うことのできる

これまで我々は、従来の第一原理計算だ

多成分分子軌道 (MC_MO) 法 [1] を用いて、けでは直接取込むことのできない、水素原

20 種類のアミノ酸分子の陽電子親和力 ( 陽子核やミューオン、陽電子の量子揺らぎも電子の束縛エネルギー , 以下、PA) を系統含めた量子多成分系分子理論を展開してき的に解析した [8]。

た。具体的には、
分子軌道 (MO) 法 [1-3] や、
量子モンテカルロ (QMC) 法 [4]、さらには

図１に、最も単純なアミノ酸分子である

密度汎関数 (DFT) 法 [5] に基づく手法と、Gly を 例 に HB 構 造 を 示 し た。Gly は HB

経路積分法 [6, 7] に基づいた、量子多成分型構造では 5.69 D の双極子モーメントを系分子理論手法である。本新学術領域研究持っている。MC_MO 計算から得られたにおいては、量子多成分系分子理論を深化

PA は 55 meV であった。正の PA が得らさせ、計算機科学との融合を含めて物質デれたことは、陽電子を束縛して安定化する

ザインへの展開を探っている。その中でもことを示している。一方、Gly の最安定構

本稿では、多成分系分子軌道法を用いたア

造 (1.33D) においては、負の PA が得られ

ミノ酸分子への陽電子吸着に関する理論的たことから陽電子複合体を形成することで解析 [8] を紹介したい。

不安定化することが示された。このことから、Gly は HB 型構造において陽電子複合

陽電子は、電子と同質量、同スピン、そ体を形成することが示唆された。

して正電荷 (+1) を持つ反粒子である。物
質中に入射された陽電子は、電子との対消図１(a) に、Gly の HB 構造に吸着した陽滅をする前に、原子・分子に吸着される陽電子の陽電子軌道および HOMO 電子軌道

電子複合体の形成など、様々な反応を起こを示した。陽電子は Gly のカルボキシル基すことが実験的に知られている。しかし陽の二重結合酸素の外側に、HOMO 電子軌

電子自身の寿命が短いために、陽電子の吸道と比べ大きな分布を持つことがわかっ

着機構等の基礎的性質を実験的に解明するた。これは酸素原子の持つ非共有電子対かことは困難であり、第一原理計算による理らの引力が強くはたらいているためであ論的解析が期待されている。分子が陽電子る。また、陽電子は大きく広がった分布を複合体 ( 原子・分子と陽電子から成る一時持つため、陽電子に対して斥力がはたらく的な束縛状態 ) を形成するためには、1.625

水素原子がカルボキシル基の外側に存在しDebye 以上の双極子モーメントが必要であていないことも理由として考えられる。図る事が理論的に示唆されている [9]。一方、

１(b) に Gly 親種の静電ポテンシャル (ESP)

タンパク質を構成するアミノ酸分子には

図を、窒素原子と二つの酸素原子における様々な構造異性体が存在し、その中にはこNBO 値と併せて示す。窒素原子上の NBOの閾値以上の双極子モーメントを持つもの

値が大きいにもかかわらず、陽電子は酸素が存在する事が理論的に示唆されている。

原子付近に大きく分布している様子がわか

近年、実験技術の進展とともに孤立分子にる。これは、原子と陽電子との相互作用コンピューティクスによる物質デザイン : 複合デザインと非平衡ダイナミクス
No.2, June 20132012
ニュースレター No.3,

ニュースレター vol.1

が、近距離よりもむしろ長距離のためと考J. Chem. Phys., 129, 144310 (2008).

えられる。実際、ESP 図を見ると、陽電子[8] K. Koyanagi, Y. Kita, and M. Tachikawa,

結合サイトを理解するには、長距離相互作

Eur. Phys. J. D, 66, 121 (2012).

用の重要性が示唆される。

[9] O. H. Crawford, Proc. Phys. Soc., 91,
279 (1967).

次に、計 20 種のアミノ酸分子の最安定[10] J. R. Danielson, J. J. Gosselin, and C.

構造および HB 構造における双極子モーメ

M. Surko, Phys. Rev. Lett., 104, 233201,

ントと PA の解析を行った。20 種全ての(2010).

アミノ酸分子は HB 構造において最安定構
造よりも大きな双極子モーメントを持つことがわかった。また、最安定構造において正の PA が得られたのは Gln, His, Trp のみであったのに対し、HB 構造においては、
20 種全てのアミノ酸分子に対して正の PAが得られた。図２に、本研究で着目した
20 種類のアミノ酸分子の双極子モーメン
トと PA の相関図を示す ( 正の PA が得られたアミノ酸分子のみを示している )。この図から明らかなように、アミノ酸分子のFigure 1.

双極子モーメントと陽電子親和力の間には(a) The positronic molecular orbital and

強い相関関係がある、すなわち双極子モーthe electronic highest occupied molecular

メントが大きなアミノ酸分子ほど、大きなorbital (HOMO) of [Gly; e+] system in the

陽電子親和力を持つことがわかった。

hydrogen-bonded (HB) structure withHartree-Fock (HF) level of the multi-【参考文献】

component molecular orbital (MC-MO)[1] M. Tachikawa, Chem. Phys. Lett., 350,

method. Contours of isovalue 0.01 are

269 (2001), 360, 494 (2002).

drawn. The meshed region denotes the[2] T. Ishimoto, M. Tachikawa, and U. Na-

contour of the positronic orbital, while thegashima, J. Chem. Phys., 124, 014112

red and green regions are of the positive(2006).

and negative parts of the electronic[3] M. Tachikawa, Y. Kita, and R. J. Buen-

HOMO, respectively. (b) The electrostaticker, Phys. Chem. Chem. Phys., 13, 2701

potential (ESP) map of Gly in the HB(2011), New J. Phys., 14, 035004 (2012).

structure. The intensity of ESP is coloured[4] Y. Kita, R. Maezono, M. Tachikawa, M.

on electronic charge density surface with

Towler, and R. J. Needs, J. Chem. Phys.,

contours of isovalue 0.0004. The charges

131, 134310 (2009), 135, 054108

on nitrogen and oxygen atoms (δ) obtained(2011).

with natural bond orbital (NBO) analyses[5] T. Udagawa and M. Tachikawa, J.

are also shown.

Chem. Phys., 125, 244105 (2006).
[6] M. Tachikawa and M. Shiga, J. Am.
Chem. Soc., 127, 11908 (2005).
[7] K. Suzuki, M. Shiga, and M. Tachikawa,

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No.2, June 20132012
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Figure 2.
The correlation between dipole moment values (debye) and positron affinity values (meV)of amino acid molecules. The solid circles and squares denote the hydrogen-bonded (HB)
and global minimum (GM) structures, respectively. The correlation coefficient (R 2) inlinear regression analysis is also shown.

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国際シンポジウムの報告

文部科学省科学研究費新学術領域
International Symposium on Computics:
Quantum simulation and Design(ISC-QSD)
開催日 11-13 Oct. 2012
会場
Osaka University Hall
(http://computics-material.jp/ISC-QSD2012/information/index.html)

PROGRAM
Thursday, 11 October 2012
Opening session
1250 –1320 Opening address, and Material design through computics
Atsushi Oshiyama (Univ. of Tokyo, Tokyo, Japan)
Session I (Computer architectureand numerical algorithm)[Chair: M. Inaba]
1320 – 1350 I-1 George Chiu (IBM, Yorktown Heights, USA)IBM Blue Gene/Q Platform

オープニングセッションの様子

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ニュースレター vol.3, June 2013

1350 –1420 I-2 Takeo Hoshi (Tottori Univ., Tottori, Japan)
Ten-million-atom electronic structure calculations with novel linear-algebraic algorithm and the K
computer
1420 – 1440 O-1 Yasuo Ishii(Univ. of Tokyo, Tokyo, Japan)
High Performance, Energy-Efficient and Scalable Memory Subsystem Design for Many-Core Processors
1440 –1500 O-2 Tomohiro Sogabe (Aichi Prefectural Univ., Aichi, Japan)
Krylov subspace methods for generalized shifted linear systems arising in large-scale electronic
structure calculation
Session II (Large scale calculation)[Chair: T. Ono]
1530 – 1600 I-3 Stefan Bluegel (PGI-1 and IAS-1, Juelich, Germany)
KKRnano: Precise massively parallel density functional calculations for thousands of atoms
1600 – 1630 I-4 Mike Gillan (UCL, London, UK)
Linear-scaling DFT on systems of over a million atoms with the CONQUEST code
1630 – 1650 O-3 Tsuyoshi Miyazaki (NIMS, Tsukuba, Japan)
Recent Developments in a linear scaling DFT code CONQUEST[Chair: Y. Yoshimoto]
1650 – 1720 I-5 Junichi Iwata (Univ. of Tokyo, Tokyo, Japan)
Band structure calculations of large-scale systems by Sakurai-Sugiura method
1720 – 1750 I-6 Markus Eisenbach (Oak Ridge National Lab., Tennessee, USA)
Future Proofing WL-LSMS: Preparing for First Principles Thermodynamics Calculations on Accelerator
and Multicore Architectures

ディスカッションの様子

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ニュースレター vol.3, June 2013

Friday, 12 October 2012
Session III (Transport properties)[Chair: S. Watanabe]
0900 – 0930 I-7 GuanHua Chen (Univ. of Hong Kong, Hong Kong, China)
QM/EM method and its application
0930 – 0950 O-4 Tomoya Ono (Osaka Univ., Osaka, Japan)
First-principles transport calculation method using real-space finite-difference NEGF scheme
0950 – 1010 O-5 Kenji Sasaoka (Univ. of Tokyo, Tokyo, Japan)
Non-Equilibrium Green’s Function Simulations of Non-Linear AC Current through a Quantum Dot
Session IV (Materials Design)[Chair: K. Sato]
1030 – 1100 I-8 Lin-Wang Wang (LBNL, Berkeley, USA)
Large scale electronic structure calculations for nanosystems
1100 – 1130 I-9 Xin-Gao Gong (Fudan Univ., Shanghai, China)
Theoretical Understanding of Multinary Alloys for the Solar Absorbers
1130 – 1150 O-6 Kazuyuki Uchida (Univ. of Tokyo, Tokyo, Japan)
Atom-scale identification of In/Si(111)-r7xr3 surface
1150 – 1210 O-7 Yoshihiro Gohda (Univ. of Tokyo, Tokyo, Japan)
New phase of graphene at interfaces with GaN
1210 – 1230 O-8 Tatsuki Oda (Kanazawa Univ., Kanazawa, Japan)
Electric-field effects on magnetic anisotropy in FePd and FePt ultrathin films
1400 – 1600 Poster Session at the assembly hall (Coffee will be served)
Session V (Dynamics)[Chair: S. Tsuneyuki]

ポスターセッションの様子

コンピューティクスによる物質デザイン : 複合デザインと非平衡ダイナミクス
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1600 – 1630 I-10 Fabio Pietrucci (CECAM-EPFL, Lausanne, Switzerland)
Combining graph theory with ab initio molecular dynamics: discovery of a new route for thetransformation of graphene into fullerene
1630 – 1700 I-11 Kazuhiro Yabana (Univ. of Tsukuba, Tsukuba, Japan)
Multi-scale first-principles approach for strong electromagnetic field in solids
1700 – 1720 O-9 Hiroshi Nakanishi (Osaka Univ., Osaka, Japan)
Quantum simulation for proton and muon on solid surfaces and in subsurfaces
Session VI (Biological system)[Chair: T. Yamato]1720 – 1750 I-12 H. C. Watanabe (Karlsruhe Institute of Technology, Karlsruhe, Germany)
Computational challenge of protein structural modeling1800 – 2000 Symposium banquet at the assembly hall in the Osaka University Hall

Saturday,13 October, 2012
Session VII (New development in DFT and strongly correlated system)[Chair: M. Imada]
0900 – 0930 I-13 Silke Biermann (CPHT, Paris, France)
0930 – 1000 I-14 Arno Schindlmayr (Univ. Paderborn, Paderborn, Germany)
Efficient first-principles calculation of electronic excitation within the all-electron FLAPW method1000 – 1030 I-15 Thomas Pruschke (Univ. of Göttingen, Germany)
Density-matrix functional theory as novel approach to combine first-principle methods withcorrelations[Chair: Y. Takada]1050 – 1110 O-10 Naoto Tsuji (Univ.of Fribourg, Fribourg, Switzerland)
Dynamical phase transition and nonthermal steady states in the Hubbard model
1110 – 1140 I-16 Michele Casula (CNRS, Paris, France)
Electron-phonon coupling in potassium-doped superconducting picene
1140 – 1200 O-11 Kazuma Nakamura (Univ. of Tokyo, Tokyo, Japan)
Ab initio low-energy models fororganic materials
1200 – 1220 O-12 Ryo Maezono (JAIST, Ishikawa, Japan)
Non-additivity in metallic tri-wire binding
Closingsession
1220 – 1230 Summary
Symposium Closes

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ニュースレター vol.3, June 2013

平成 25 年度研究会の案内

文部科学省科学研究費新学術領域「コンピューティクスによる物質デザイン：
複合相関と非平衡ダイナミクス」
平成 25 年度研究会
開催日 平成 25 年 7 月 8 日（月）－ 7 月 9 日（火）会場
東京大学 武田ホール ( 武田先端知ビル 5F)(http://www.u-tokyo.ac.jp/campusmap/cam01_04_16_j.html)

形式

口頭発表とポスター発表

コンピューティクスによる物質デザイン : 複合デザインと非平衡ダイナミクス
ニュースレター vol.3, June 2013賞受賞、著書
●賞受賞

2012 年 9 月 光武亜代理専任講師が 第７回日本物理学会若手奨励賞（領域 12）を受賞しました。 対象となった論
文は , "Simulated-tempering replica-exchange method for the multidimensional version", J. Chem. Phys.
131 (2009) 094105, 他２編です。
（物理学会のページ）● 関連する会合
第 7 回物性研究所

国際ワークショップ＆シンポジウムのご案内[URL]
http://www.issp.u-tokyo.ac.jp/public/EQPCM/[ 会議名 ]
Emergent Quantum Phases in Condensed Matter ---from topological to first principles approaches[ 日時 ]
ワークショップ：2013 年 6 月 3 日 -21 日
シンポジウム：6 月 12 日 -14 日[ 場所 ]
東京大学

物性研究所[ 参加費 ]
無料●

著書

計算科学講座

全１０巻 （共立出版）

http://www.kyoritsu-pub.co.jp/series/49/

領域代表
東京大学大学院工学系研究科物理工学専攻
押山 淳
領域ホームページ URL
http://computics-material.jp/

ニュースレター 編集部 / 連絡先
名古屋大学大学院理学研究科 物質
理学専攻
倭 剛久
電話／ファックス 052-789-2914
Email: yamato@nagoya-u.jp