分子シミュレーション研究会会誌“アンサンブル”Vol. 18, No. 3, July 2016 (通巻 75 号)

195[8] 研究室だより「金沢大学理工学域数物科学類計算科学コース 計算分子科学研究室」

三浦伸一
1. はじめに金沢大学 数物科学類
smiura@mail.kanazawa-u.ac.jp

関係しているのは計算実験教育プログラムなので金沢大学の角間キャンパスは，金沢市郊外の緑すが，このプログラムでは物理学コースのスタッあふれる山の中腹にあります。自然にあふれていフと協調しながら，物理学の学部教育をすると共ますので，運が良ければキャンパスの端にある駐にコンピュータシミュレーションの基礎も学ぶこ車場近辺で野生の熊に出会うことができますし，とになります。学部レベルで計算機シミュレーシ

運が悪ければそのまま熊の餌食となります[1]。山ョン関係の講義に多くの時間を割いているところの中とはいえ，学生街を形成している麓からバスは国内にはおそらくないと思いますので，金沢大で数分程度の距離で，朝は麓から大学までの一本

学の大きな特色であると言えるでしょう。

道を大勢の学生が立ちこぎをしながら自転車で登っていく姿を見ることができます。また繁華街で

2. 研究室の概要

ある片町・香林坊は大学からバスで 20 分程度のと個人的な話で恐縮ですが，分子科学研究所からころにあり，結構な便数がありますので交通の便

金沢大学の計算科学科へ助教授として着任したのは良いと言えるでしょう。

は，2007 年の 1 月でした。引っ越しの最中に豪雪

北陸に視点を広げると，福井大学には玉井さん，に見舞われ，大学までの坂を学生が皆かんじきを古石さんのグループ，富山大学には石山さんのグはいて登学しているのを目の当たりにして，北陸ループがあり，少しずつ交流を始めようとしてい恐るべしと思ったというのは作り話で，寒いけれます。少し離れますが，新潟大学には大鳥さんのどもそれほどでもないかなあという印象でしたグループもありますし，最近吉森さんも移ってこ[4]。着任後は，独立した研究グループを立ち上げ，られたので，日本海側もだんだんと賑やかになっ2014 年の教授への昇任を契機に計算分子科学研てきました[2]。

究室としての活動を始めました。現在の研究室は，さて，金沢に視点を戻しましょう。私の所属は私と岩崎宏先生のスタッフ 2 名で運営しています。

理工学域・数物科学類・計算科学コースという見岩崎先生は，流体力学の非線形波動論がご専門で慣れない名称のオンパレードですので，多少説明すが，液体論にも関心を持っていただき楽しく共が必要かと思います。金沢大学では，2008 年度に同研究をしています。現時点で，学生は，博士課学部が改組され，理学部と工学部が合併して理工程にインドネシアからの留学生が１名，修士課程学域となりました。少し大きめの学科に対応するは 4 名，学類生は 3 名が在籍しており，スタッフものとして，旧理学部の数学科，物理学科，計算を含めて総勢 10 名ということになります。

科学科が合同して数物科学類となっています。さ

某研究会のニューレターの<研究室めぐり東西らに旧 3 学科に対応するものとして数学，物理学，南北>に研究室紹介を寄稿した際にも書きました

計算科学の 3 コースが学類のなかにあります。

が[5]，外部の研究者を招聘してのセミナーの機会

私は計算科学コースに所属しているのですが，が少ないことがいささか寂しい状況です。細々とこれまた一般には馴染みのない名称です。計算機

ではありますが，私の研究室主催で面白そうな研のアーキテクチャ，コンパイラの設計，ネットワ究をしている人を呼んでコロキウムを開催していークの構築などなど，を対象としているのは「計ます。北陸新幹線も金沢まで開通して，交通の便算機科学」です。
「計算科学」は，計算機科学の技も以前よりもずっとよくなりましたので，是非と術を駆使して科学の問題を発見し解決する学問でも遊びにきて頂ければと思います。一時期中断しす[3]。一般的には計算科学がカバーする領域は極ていた時期もありましたが，これまで 12 回開催しめて広大ですが，金沢大学の計算科学コースは主ています。最近では，京都大学の金賢得先生をおに数学と物理学を研究教育の基礎としています。

招きし，量子ダイナミクスの最近の話題をお話い

この 2 つの学問領域に対応して，計算数理教育プただきました。コロキウムは盛況のうちに終了し，ログラムと計算実験教育プログラムという 2 つのその後は金沢の繁華街である片町に繰り出しましプログラムがコース内に用意されています。私がた（図 1 参照）。皆さんご想像のとおり，北陸の海196The Molecular Simulation Society of Japan
和した分子は，周りのヘリウム原子と相互作用しているにもかかわらず，“有効的に”媒体から摩擦を受けずに運動していることになります。超流動ヘリウムは巨視的にはゼロの粘性率で特徴づけられますが，実験は微視的なレベルでも超流動性が分子のダイナミクスに劇的な変化を与えることを明確に示しているのです。
私は，上述の問題に対して“第一原理”から量子シミュレーション法を駆使し，理論的にアプローチしました[6]。分子をドープした超流動ヘリウムクラスターのためのシミュレーション手法を開発し，この方法を OCS 分子をドープした超流図 1コロキウム後の懇親会。研究室のメンバ動クラスター（原子数 N=64）に適用することによーと片町界隈の木倉町通りにある居酒屋にて。

り，超流動媒体内での特異な回転ゆらぎはヘリウ

分かりにくいですが，左手奥が講師の金さん。

ム原子が従うボーズ統計の直接的な帰結であるこ結構いける口でした。とを示しました。さらにクラスターの原子数 N を変化させ(N=2～64)，OCS 分子－ヘリウム複合体の幸は格別で，訪問者の皆さんは舌鼓を打ちたおとして振る舞っている小さいクラスター領域からしておられます。錦織圭さんの宣伝効果で，のど量子論的な溶媒和状態をとっているところまで広ぐろへの妄想は膨らむ一方でごさいましょう。

く計算を実行しました。クラスターが超流動性を発現するサイズ領域（N=10 程度）で分子の量子力

3. 研究内容

学的な回転ゆらぎが定性的に大きく変化し，そのこれまで取り組んできた問題を今後の展望も含後サイズの増大と共に大きなクラスター領域の極めて個別に説明します。多少古い話も含まれてい限へ回転ゆらぎの性質がゆっくりと収束していくますが，ご容赦下さい。

ことを示しました。

3.1 量子液体の諸相解決の問題がたくさん残されています。また，水ヘリウムクラスター内の分子過程については未近年，極低温下における量子凝縮系で生起する素分子クラスターなど新規な超流動物質の探索分子プロセスへの関心が高まっています。超流動[7]や様々な条件下での超流動相の振る舞いなど状態にあるナノサイズの液滴ヘリウムを舞台とし今後取り組んでみたい問題が山積みです。て，その内部（あるいは表面）に捕捉された分子系が分光学的に測定可能となってきたことにより3.2 水溶液・水素結合系の量子論その興味は加速されています。媒体である超流動水素結合を介したプロトン移動反応は，広く分ヘリウムはその名が示すように粘性率がゼロで特子系に見られる重要な素反応のひとつです。その徴づけられる量子力学的な液体状態です。このよようなプロトン移動反応の一つのモデルとして蟻うな特異な環境下での分子プロセスはどのような酸二量体間で起こる二重プロトン移動反応を取りものになるでしょうか？ナノ液滴を用いた実験技上げ，第一原理的な計算機シミュレーション手法

術の進歩によりこの問いに鋭く迫ることが可能にであるカー・パリネロの方法と経路積分分子動力なってきました。この手 法はしばしば HElium学法を結合した方法を用いて解析しました[8]。反Nano-Droplet Isolation (HENDI)分光法と呼ばれ応は重たい原子核の熱揺らぎにアシストされたプます。これまでの HENDI 分光実験から，液滴内のロトンのトンネル効果により進行することを示し分子ダイナミクスは様々な“奇妙な”振る舞いをました。この研究の際に，高いエネルギー障壁を示すということが明らかになってきました。極め伴うトンネルダイナミクスのシミュレーションのて印象的な例として OCS 分子の回転運動をあげる大変さを痛感しました。最近，CMSI 研究員としてことができます。液滴に捕捉されたこの分子の赤研究室のメンバーであった河津励さん[9]とイン外スペクトルはあたかも真空で自由回転している

スタントン法ベースの手法を開発し，電子状態計ような振る舞いを示します。つまり液滴内に溶媒算と結合することにより，精度よくトンネル現象

分子シミュレーション研究会会誌“アンサンブル”Vol. 18, No. 3, July 2016 (通巻 75 号)

197

を取り扱えることを示しました[10]。半古典論でいに役立つので，今後とも考えていきたい課題ではありますが，トンネル過程に主要な寄与をするす。

経路に集中することにより，上述の方法よりずっと効率的に取り扱うことができます。この手法は，3.4 生体高分子の構造と機能まだ開発の端緒についたばかりであり，方法論的かなり前の話で恐縮ですが，液体の積分方程式にはむしろこれからが本番なのですが，いきなりの方法を使って水中の過剰電子の問題に取り組ん

4 年生の課題として出すわけにもいかず，残念なだり，ヘリウムのような量子液体に対して方法をがら店晒しにされたままです。この文章を読んで，拡張したりしました[12]。その後，超流動ヘリウ

もし興味を持たれた方がおられましたら，ご連絡ム内の分子ダイナミクスの問題に集中していたこいただければ幸いです。ともあり，積分方程式の方法からは，離れていま水をめぐる問題としては，プロトン化した水クした。ここ数年，蛋白質分子の折りたたみや超分ラスターの問題にも取り組んでいます。後述の変子システムの構造を支配している自由エネルギー

分経路積分分子動力学法を使って，基底状態での地形のモデリングに，液体の積分方程式理論をベ様相に迫りつつあります。また，氷や水素ハイドースにチャレンジしょうと幾つかの試みを始めてレートの量子ダイナミクスについても検討を始めいます。ジペプチドに対するベンチマークや，スました。

トリング法，拡張アンサンブル法と積分方程式の方法との結合を指向した研究を，分子シミュレー

3.3 新しい量子シミュレーション手法の開発
量子モンテカルロ法は，量子多体系の基底状態を精密に計算する一群の確率論的なシミュレーシション討論会でも少しずつ発表を始めましたので，まだ未熟な点も多々あるかと思いますが，ご指導ご鞭撻のほどよろしくお願いします。

ョン手法です。最近，変分経路積分法という量子モンテカルロの方法を動力学的にサンプリングす4. 学生生活る手法を開発しました[11]。変分経路積分分子動学類生（学部生）は，4 年生になると研究室に力学法といいます。同時に，試行関数を与えて物配属されます。研究室の毎週の予定として，グル理量の期待値を分子動力学法で計算する手法の開ープミーティングと輪読に参加することになりま発も行いました。こちらは変分分子動力学法といす。グループミーティングでは，教員から順番にいます。液体・固体ヘリウムのような量子系にベ毎回 1 名が担当者となり，パワーポイントを使っンチマークとして適用し，その有用性は示されてて発表をします。研究がまとまっている場合は，おり，前節で触れたように水素分子クラスターやそのプレゼンテーションをしたり，あるいは各自プロトン化した水クラスターのような非自明な問の研究の関連領域をレビューしたりします。4 年

題に対して適用し，その物性を明らかにしつつあ生は，まずは論文紹介あたりでしょう。半期に１ります。中期的な目標としては，変分経路積分法回程度担当がまわってきます。適当なことを書いに基づくフェルミ粒子系のシミュレーション手法たり言ったりしているとじゃんじゃん突っ込まれの確立で，いわゆる量子モンテカルロの精度で第るバーリトゥードスタイルを採用していますので，一原理分子動力学を実現することが目的のひとつ鍛えられます。輪読は，毎年 1 冊テキストを決めなのですが，こちらは実現するのはいつのことやて，学生が順番に担当者となり自分に割り当てらら．．．

れた部分の説明をします。現在は，4 年生と修士 1

これ以前にもボーズ多体系の経路積分ハイブリ年が担当者となり，修士 2 年はオブザーバーとしッドモンテカルロ法や，ボーズおよびフェルミ統て参加しています。今年は，チェイキン・ルベン

計の効果をポテンシャルの形に射影することによ

スキーの「現代の凝縮系物理学」に取り組んでいって，経路積分分子動力学法を定式化しました。

ます。

ハイブリットモンテカルロ法は，3.1 節の超流動

また，4 年生は私が前期に担当している専門科ヘリウムクラスターの計算に大いに役立ちました

目「化学物理学」を履修してもらうことにしていが，経路積分分子動力学法は，いくつか理由があます。3 年生までに履修している熱統計力学と実り大規模な計算に利用できるといった状況にはあ際に研究をする際に必要な知識との間にはかなりりません。特にフェルミ粒子系の経路積分分子動のギャップが有りますので，それを埋めることが力学法は，実用レベルまで到達すれば多方面に大目的です。講義では，液体の統計力学を統計集団

198

The Molecular Simulation Society of Japan
参考文献[1] 実際に被害にあったという話は聞いたことはありません，念のため。
[2] 金さんは，あっという間に太平洋側の人になってしまいました。
[3] 計算科学コースのウェブページから転載。
[4] とはいえ，太平洋側と比べると降雪量はずっと多いですし，数年に１回はしゃれにならないほど積もります。こういう時は，空から雪が，ボトッ，ボトッと際限なく落ち続けるという感じです。
[5] 溶液化学研究会ニュース，2009 年頃（バックナンバーは公開されていないので，詳細は不明）。

図 2 大学最寄りの BBQ サイト，奥卯辰山県民公園にて。

[6] S. Miura, J. Chem. Phys. 126, 114308 (2007); ibid.
126, 114309 (2007).
[7] 三浦伸一，“水素分子クラスターの量子構造の復習からはじめて，分布関数の方法を講述し，不可逆過程の統計力学の初歩あたりまでをカバーします。これと連動して，研究室の 4 年生には液体アルゴンの分子動力学シミュレーションの課題が課され，プログラムを作成し，液体物性を詳細に解析することにより，講義で習得した理論を自らの血肉とすることになります。
後期になると，卒業に向けて具体的なテーマに取り組むことになります。多くの学生は，そのまま大学院に進学しますので，院での研究にスムーズに接続するよう，問題設定をします。推薦入試などで早めに進学が決まった学生は，秋の討論会で発表したりすることもあります。
年間の行事としては，花見，新歓コンパ，春の遠足 BBQ（図 2 参照），前期打上げ，忘年会，追ゆらぎ”，J. Comput. Chem. Jpn.（印刷中）．
[8] S. Miura, M. E. Tuckerman, and M. L. Klein, J.
Chem. Phys. 109, 5290 (1998).
[9] 現在は，横浜市立大学の立川研究室に所属。
[10] T. Kawatsu and S. Miura, J. Chem. Phys. 141,024101 (2014); ibid., Chem. Phys. Lett. 634, 146(2015).
[11] S. Miura, Chem. Phys. Lett. 482, 165 (2009).
[12] K. Shinoda, S. Miura, and S. Okazaki, J. Chem.
Phys. 114, 7497 (2001); ibid., J. Chem. Phys. 115,4161 (2001).
[13] なかなか時間がとれないので，あまり更新されていません。大学以来の友人（情報系）に，ウェブページをわざわざ貧乏くさくしている理由は何だと聞かれましたが，わざわざではありません。

い出しコンパなどの節目の行事は勿論のこと，コロキウムなどでお客さんが来たり，特に理由はないけれども飲み会をしたりします。また，修士以

著者紹介歴〕1995 年京都大学理学研究

上の学生は，秋に分子シミュレーション討論会な科博士課程単位取得満期退学，どの学会活動をし，研究がまとまれば，国際誌にその後，ペンシルバニア大学論文が掲載されることもあります。

博士研究員，東京工業大学総合理工学研究科助手，分子科5. おわりに学研究所助手を経て，2007 年

以上，駆け足で金沢大学の計算分子研究室の紹から金沢大所属．
〔専門〕液体介をしました。以下の URL にグループのウェブページがありますので[13]，時間に余裕のあるときにでも訪問していただければと思います。また，大学院入学希望者は歓迎ですので，いつでもコンタクトしてください。
http://cmt.w3.kanazawa-u.ac.jp/

三浦伸一（博士（理学））：〔経

物性理論，理論分子科学，量子シミュレーション．〔趣味〕海外旅行，読書，映画鑑賞．