筑波大学 計算科学研究センター 令和三年度 年次報告書

 k > R E [ ] i m   メンー教

一

教

大実小前

展

教

（〜）

研究員

（〜文学生

大学 生教野〜）金

学 生

一（学 共同研究員 物質 学域）（学 共同研究員 物理学域）

員教

本部

小野

は

（物質・大学大学学研究科）

科学や物性物理学

分算科学に基づく研究を行っている。本年度より大気学

応に対する第一・

現など

はと物質の基づく中の電くや分と実実教がしかの分野に渡る計表面や界面における電理計算に基づく研究がスタートした。今後
会とく結び電いた研究を展開して行きたいと作用に関 した研究に特 を有している。 時間
イナミクスやの作用

応の計算

関電系の物超導を

時間
応

科学分野の計算科学研究を行っている。また
および科学などのいく

関電ビットとした部

密度 関数理 にー方様な物質を対系では電えている。

シュレディンなどや物高に基づとした
超物性

導の機解コンピューターの実現を目指した理的解 を行っている。
これらの研究に（えて独自の計算コー）に基づき と物質のて開発も行っている。時間作用をする 用の第一 理 科学を開発し ウェ サイト
学用とともに その普及のため くの関 数理

トウェ としにおいて 開している。また電気応に有効なシミュレーション法としてコー の開発を進めており

密度有効

トウェ で る研究者が-質法に基づく第一にコー を提供するするコン ーシ ムを-― 86 ―理計算している。

筑波大学 計算科学研究センター 令和三年度 年次報告書

研究成[ 1]と物の用

原理計算

第一 理計算法の一 で る用のアのに基づき パルス と物質の作用をするトウェの開発を進めている。

はた。このバー ョンで コー部は整理されをウ発展さる基

年 月には「の開発を主要な課題とする年 月 にを 開した。このバー ョンではを用いた」への対応も進めてきたが その 用いることによりを 開しなくともこの先数年間は 定して作用の利用が 能となるとともにまた年 月にが整えられている。本年度は研究の中心部分が終了する
スピンを 開しを超える物質とパルスのが実 された。

において全系の作用の 計算が能でを用ることを実 した。その 文の出 に合わ て年 月に筑波大学

大学 科学技術

機 が共同でプレスリリースを行った。の利用 進に向けた り組みとして方法に関するビデオを 数作成して年 月とにより 能となる計算 や利用にしている。

を普及する活動とし

年 月に大 大学が主催するコンピュテーショナル・マテリ ルズ・

デザイン ークショップにおいて また

年 月には高度情報科学技術研究機 のサ ートのもと 都大学のスーパーコンピュータを用いてこれまでの開発は 筑波大学のンズオン ュートリ ルを実施した。
プロ ェクト ンバーが中心となり行ってきたが そのプロ ェクトの中心部分が本年度 で終了することに い 今後は国な機関にするの様の研究者からなる開発者ミーティングを定期的に開催し 開発そのの活動を行う予定で る。

[ 2 ] 量子金ナ

学によりに基プのでは表面プラズ

応することがの表面における電能でスのるがンが最要な役割を果たす。この応は染み出しの効果やでは数のナがル電流の効果などが大きな関心を集めている。そのようなを用いたが有効で るがするることから要が計算できない

流 模型

電気効果としてナした時に生じるトンネ効果をするのにの計算は物質に含まれる電 数に対応するが物質のサイズのにしに対して計算を行うことが困難で った。このような事情のためとみな るはが発展してきた。しかし--― 87 ―を用サイズの大きいナに対するでは 流 方を電 密度

筑波大学 計算科学研究センター 令和三年度 年次報告書

がに小さい領域でしく

これまでは確に解くことが難形応に対する計算がとんどで った。
本研究はそのような困難をとしての基礎方シュレディンする方策とー方の時間の等性に目し 新たな数 解法を提 した。この方法を用いることで形応をく調べることが能になったら問題な。図 に直 がのナの形に対する応との計算結果のを示している。

では単一のパルスに対する計算の結果を軸にパルスに含まれる動数成分をとりした結果を示しており

では数のパルスに対する計算の結果を系にえたパルスの平図と形応のを用いたナ。

動数に対する 次の形応 のとして示している。い れの場合もしを 切にすると

形応 が[ ]

スピンが共的し スピン力を導入した。これを用いた最の応用として度に関心が形の2単層を調べた
図。スピンめた計算は計算科学研究

金ナイ

応部

バレ

たれる型的な物質で るの一 することを示している。とできるよう拡

イカルコ

において電 染み出関数をなる配位をー自にのにおいてのが力を含めて大き2単クルパルスを対称性を-層に高 度な直えたときの軸に-― 88 ―

リ・の単一サイバレー

ンベロープ位の筑波大学 計算科学研究センター 令和三年度 年次報告書

くなる。

年度から本 的に稼働したスーパーコンピュータ「」を用いることで 研

究を 調に進展さ ることが 能になった。
は円パルスを用いてれている。本研究では高度なシングルサイクルの直によりバレーを 択的にスのリ

バレーのど らかを 択的ににとり示したもので る。バレー 対称性はしている。

間におけるた。この節の 在はるパルスを用いてできることを示した。図

ンベロープ位

いくに 感にしたリできることが知らはかの形

過軸をシングルサイクルパル
度に対してバレー対称性をし また の 度によっての分布を調べると模型を用い節をでがをが出されする際に現れとして理解できることを示した。

[ ]国の高次高波

生と和ース

ア

大

固体からの高次高調波発生、特に原子配置の熱的揺らぎに伴う位相緩和効
果に関し、オーストラリア国立大学の理論グループと共同研究を行い、論文を投稿中である。
図 3 に、結晶のイオン配置に熱的な揺らぎが加わった場合の計算例を示す。この計算は、乱雑な揺らぎを考慮するため、原子から

図

シリコン結にパルス電場をス クトル（ ）。上は完全結 （位セルでにするえた時のカレント（）と）の場合。下はの単ら を えた配置の場合。

なる単位セルを用いた電子ダイナミクス計算を行っている。左上の図は、揺らぎのない場合のカレントを示すが、パルスの後半（fs 以降）には非線形効果に起因する複雑な振動が現れている。一方、熱的な揺らぎを考慮した左下に示すカレントでは、位相緩和が考慮されたことによりカレントに現れる乱雑な信号が軽減されていることがわかる。右側に示すスペクトルを見ると、揺らぎのない場合の方が（右上）高次まで明瞭なシグナルが見られるが、一方で揺らぎを考慮した場合（右下）には、失するが、次を超える高次の信号は消次程度までの低次の信号は、揺らぎのない場合よりもシャープになっている。このよう--― 89 ―筑波大学 計算科学研究センター 令和三年度 年次報告書に、の原子を和の効果を単位セルを考え、熱的な揺らぎのある原子配置を考慮することにより、位相緩的に[ ]アすることが分本研究ではかを高時間の度な密度になった。

原理計算とによって関数理用された性のの計算により られた学応がどのように調されるの理計算により解析した。図ス クトルを示す

計算により られた

さ たものに基づく第一計算により られたを 視した独立性。さらにス クトルをス クトルをに電場効果

スピン自 度をで示した。い れの結果において付 で度のな上 が確認される。これはのから ェルミにする端をレーザーされた面への電性質を調べるためにことを 定しレーザーのな現れた度のによって電ス クトルの電られた度のしている。本研究では度系がされ有限電性を調べた。図計算によって度の上 に いが確認できる。第一理計算に基づく視的な解析を進めたところ

レーザーによっての性がししていることがらかとなった。この研究で性とを応用することで気応

クスを過渡にを示した。電することにの度状態が実現される

ス クトル

は分学応の関を通じて調べることが端付 で位の交らかとなったが駆動するの性・スピン能となる。本研究成果はさ分がされたイナミ文””としてより発表された。

図

第一 理計算により られたのス クトルの。
--― 90 ―ス クトル。

電度上 に う筑波大学 計算科学研究センター 令和三年度 年次報告書[ ]が動ンの子スの理

年のレーザー技術の発展により 高 度研究が 力的に進められており 高 度の限的な形現の形学現が視的機を解するためがのが形作用に関するする 過率上 や高次高調波発生などんに調べられている。本研究ではの効果をするグラ ェン の電時間はとグラ ェンのこのようなり入れた限的なマスター方によりイナミクスを解析した。グラ ェン における電電場の時間スケールより短いためを用いる代わりに定 電場のでのグラ ェンの 導特性を調べた。定電場K𝟏𝟏 の下でグラ ェンに流れる電流Lを め そのから実効的な 導度S Z LK𝟏𝟏 をテンシ

ルに対する結果が示されており導度がらに高い形

視的

るいは ープされたが学

テンシ

ルが導度が上にじることが分かった。グラェンに源を解析したところ

高度電場

リ

リ の大部分がすることによって電場領域においてはには なる 学する電場することで導のに示す。図れの場合もしていることが確認できる。また度の電場をおけるリした。その結果を図

導度がトンネル現的小さい場合によってで大きく 動し下していることがにより電からによって的らかとなった。また導へじることが分かった。本研究成果は

リが供び上ける形電イナミクスの基礎的理解を発展さ るもので る。この研究はとして図グラ ェンにおける形電気 導度の電場する結果が示されている。

- 1 -― 91 ―

グラ

より導度が

ン ルク との共同研究で りさ導性を うされることで研究に度の上ェンにお文から発表された。

性。 なる 学 テンシ ル に対筑波大学 計算科学研究センター 令和三年度 年次報告書[ ]ー

電自に対するな時にに基の理波動関数から電流が在する基てきた。このような基続が計算できる。そして状態が実現状態をもしている。この超 導状態をの方ベリー能でこのベリーることをこれまでの研究で状態が超導状態でするために数をるとする新しい超する続がらかにし導理

リューを・ンを作り 計算を行った。またン

レーの問題や

ョセン効果の問題に用した。さらに ロン ン ー ントの問題にも用しこれまで実とのった超導電流

リーの質にいてしいることができた。そして ロン ンが超 導状態に 在すると えた部 一 が超 導状態に 在すると えたーやを 自 なベリー 続と関 づけ じた

[ ]スン

物高超。

ープ

量子導にそのンピュータの情報単位

ッ

在が予されている“スピン物のりまたループ電流”をビット として 用する 能性に いて理 的にビットでは 外部電流によりラン ウン
能でをーナービットのカップリングも外部電流を面をスタックした デルとを利用したって面の ロックをてシミュレーションにより示した（）。

--― 92 ―能でコした。このビットの制 がることをットとで げた系に い筑波大学 計算科学研究センター 令和三年度 年次報告書[ ]ン原子と成のミュオンが金の図

ミュオンとのようにされるミュオンの中にまれるでが生成される。今際共同研究グループはを大度速器

物質・生 科学実 施設
み特性ミュオン

からー分解能によりる電 特性をに出される電を 密 定した。

ネル

出器の高いによ 図 ミュオン

ミュオンの ネル ース クトルがことが分かった。また

ン国などに向けて開発されてきた施設

成理の イナミクス

本の いピークではなく 幅広い 対称な計算と実形成過 における ミュオン・過とべて

このスクトルからミュオ電 の ェムト秒 イナミクスの解 に成 した。

本研究は 科学のに ばれた。「ʼ」[1 ]ーーにけ原子

レーザー場における研究を行った。 双の電動 が図

異子

動量分の電 過 を実 と理の影響でレーザー 播方向中のになることを実 で確認した。単純な デルでディップが 現できないために 我 が っている デル テンシ ルを用した理 的予 は実 とよく一 している。
しく分析すると 実 でされたディップによる 電 の後方のはで る。本研

究は 科学の図レーザー進行方向の 電に ばれた。「[ 11]ン性次度を」子にけス

関電 系の理 模型の一 で る
密対度にスピンでーン状

本足イオン性 バーなどにより数的に調べ，本状態クトルピークが現れることを要となる電流源のス
算

動 分布に対する解析および電-は電動的-― 93 ―状態を出したとの模型の 学 導するでにる学

学

導導度計算を行った結果

筑波大学 計算科学研究センター 令和三年度 年次報告書

間p p を有する

テンシ ルが波数本足においての方向に対する導度 s  によってスピン学を含む

位 のの状態と呼ばれる 続状態をできること 一方方向に対する 学 導度 s  によってのを含む状態を[ 12]ー

続 位 のできることを 出した 図。

ーッ

次ーディ・

図
通のに高度レーザーを合に発現するレーザー状態にいて数した場

ロケト

ロ的解析を行った。

する理 模型で る次を密対によって調べた結果

ーザー

下ではた結果としてれるトロ

数のカルに

下では

金 の電 と果としてロケにおける度でカル

における電動的をwと導度s g

学模型wg。

ロケ状態

直ロケバン

レがし自大と共にな特出した。
前のを金えて円ロケ

電 のレディラックが解けた結イル 金 状態が出現することが分かった 図度の模型 下 同

ロケ ディラック 金 と呼ば状態が現れることをーザー

本足バン 模型に対してレーザー電場を導入した場合のp p を有する上 波数。にロケイル

金上の イル点はレーザー点へとづきる界電場
図することを示した。

直レーザー

おける分点る分--― 94 ―

円ににディラックレーザーににおけイル点 。

筑波大学 計算科学研究センター 令和三年度 年次報告書[1 ]に物の代よりの身のりの生活を支るが現代において物はえてきたも要なの一器やでイオン交に利用されている。特にとして期研究では最物でのる用しとの含とへのたの研法とイリッ手法

を 用し電を分布を効率よく計算した（図と層間の 分布。の平）。層間を計算し図は大きくに・） スピン

都（ト 作と・¾（・海（"カのオン位置が層間の中心付した場合には位に対する電 状態しないが 図の場合にはに外を 成することが らかになった。

ループ電流

ビットの理 的研究 電流による ーットを利用した状態の み出し）文）次ロケト ロ カル
層 デルにおけるの 自 表面状態の理 的解析
物超 導 の理 研究 電 対ップの平 場とスピン ー ントの平 場を用いた・ 中 ¶（"面 の 分 の分布で実しを 成するがデルと（上）。カ オン りの 分 のを解析した。電 状態はカ オン位置には大きく示すようにの分布の模 図（下）を 現することを確認したの に 層間カ オンの原リロナ

し 層間の にはの 分 数を えて含大の電ン

物とカ オンには状態を 確にの研究に対して 層間カを組み合わを用いて構くのもの電究を行った。計算には 密度 関数
理和・目を集めている。本とバイデライト

オンで るなどではされるなど型的なイトンの文）

次の計算方法

ロケト ロ カル状態の ッ 状態に対する間ッピング効果
・ 本（"文）次

ロケト ロ カル状態における ッ 状態と分 の関・Ä

（"文）

次

ロケ イル 金 のバンの影響--― 95 ―に対するレーザー 度筑波大学 計算科学研究センター 令和三年度 年次報告書

部

なし

部

「 ・電 融合第一 理計算
表

トウェ の開発と応用」

年度 全年度直 経費円（一代年度直 経費円）
先端レーザーイ技術の開発」

ベーション拠点 「次世代 ト秒レーザー 源と先端計一分

年度直 経費

年度 全年度直 経費円）

科研費基 （ ）「第一 理計算が く的な 限ナ

年度 全年度直 経費円（科研費基 （ ）「分定を 現するスケール法の開発」

代表円（年度直 経費

科研費「サ費円（ト クス」

一年度直 経費方×円）と融合した分 動力学マル
年度 全年度直 経費円）

ップをタ表面の効果」（年度直 経円）

科研費 手代表

年度 全年度直 経費

年 度直 経費円） 「 による電円（制 の第一 理計算」

科研費基分

年度 全年度直 経費円（年 度直 経費円） 「タマテリ ル共 器によるン 結合状態の実現と物性制 への応用」
科研費基大分直 経費

年度 全年度直 経費円） 「9立分 ・9立円（の特 性に 基づく 電年度
機能の革新」「」成果円（よる

出速プ ログラム 大年度直 経費

度直 経費

年度 全年度直 経費円） 「次世代 次電 ・革 に向けた計算・データ
超先端分科学研究」

超高速開発基 技術プロ ェクト 大円（電 開発 に年度直 経費なし--― 96 ―円）分年度 全年

筑波大学 計算科学研究センター 令和三年度 年次報告書

6研究業績
研究文

査読付き文

--― 97 ―筑波大学 計算科学研究センター 令和三年度 年次報告書--― 98 ―筑波大学 計算科学研究センター 令和三年度 年次報告書--― 99 ―筑波大学 計算科学研究センター 令和三年度 年次報告書

査読

文「 ・分 動力学統合の計算 学の開発 金 の 応 をュレーション」

する分 シミ分 シミュレーション学会

ンサン ル

国際

- 1-

― 100 ―

筑波大学 計算科学研究センター 令和三年度 年次報告書

国学

・研究

一

「ーザー学会ェムト秒レーザーから物質への支部セミナー

大 実 「第一 理計算とやへの応用」 第ネル

海大学 オンライン

ー行の第一年

月

理計算」レ

理 の融合による電気 学 応シミュレーション 電
イオ クス研究会 オンライン- 1 1 -― 101 ―年 月

筑波大学 計算科学研究センター 令和三年度 年次報告書のの「分力場マル結 の間 導ラマン
理学

テラ ル 波発生プロセスの解析」 第会 オンライン
一学応

スケールシミュレーションの開発と年 月「 ×高 度短パルスに対する金 ・ 導 ・の第一 理計算に基づく解析」の本物理学会 オンライン

年月「電 の的 動を り入れた金 力場 デルの開発 分 シミュレーションによる金 ナ
オンラインのと ネル ー」 第会

年 月
一

発生の第一 理計算 パルス形状・Ø

分 科学

年

配置大会 （オンライン）一「金 ナ「 導 からの高次高調波性に関する分析」

本物理学会

年 月の形 学応 解析 有効に基づく数 解析法の開発」 第応用物理学会

学術

方会（オンライン）

年 月「自 電 のの的 動を組み ん 金 力場 デルの開発と ネル ー」

学シン中ナ

ウム オンライン年月「金の開発

自 電 の中ナ会と ネル ー年

「金自 電 のの一」

本 学会第「ラン ム タ表面の 学応 の応用物理学会
前 展

学術年会

前 展

会 オンライン法に基づく解年 月

野 一 “ ロケト ロ カル 金 におけるレーザー”

野 一 “サイトトリプロン状態”
w

を組み ん 分 シミュレーションと ネル ーィラック分 と イル ー
前 展

的 動方

年 月

大
析」 第」 分 シミュレーション

月

中ナ

オンライン

wの大学の開発

イナミクスを組み ん 分 シミュレーション

本物理学会

本物理学会

年

テンシ ル下の年

大会，オンライン開催
スピン系における大会，オンライン開催

野 一 “レーザーバン 間共

カル 金 物質の 成および表面状態の解析”
オンライン開催- 1

デ-― 102 ―

による ロケト ロ

本物理学会第年次大会，

筑波大学 計算科学研究センター 令和三年度 年次報告書

前 展

野 一 “サイトトリプロン状態 ”

本物理学会第小“ロン会 第年次大会 オンライン

ン

都 小

スピン系における年次大会，オンライン開催

ー ントに現れる電“スピン作シミュレーション”

ルをテンシ ル下のの質 とベリー

ループ電流

本物理学会 第直

都 小ったシミュレーション”

続”

本物理学

ビット 電流による ート

年次大会 オンライン“物高 超 導対の表面バルク
本物理学会

年

層 デ大会 オンライン
都 小“スピン本 物理学会
小“

年数をと ョセ

ループ電流

ビットットの利用”による超 導理ン レー

大会 オンラインする

リューン効果に いての”

本物理学会

年

大会 オンライン「における ト秒イナミクスの理 的解析」

大会 オンライン

本物理学会第年

年 月「」

本物理学会第「レーザー会第された第一物の層間カ オンの・の研究」「開シンウム 成果報: 「クラスター展開法によるの¹性への プロー年次大会 オンライン開催

年 月法による」成果 出 速プログラム
会理計算」

本物理学年 月」電 課題 第年 月文」

性 の過渡年 月

学応

年次大会 オンライン「年次大会 オンライン

本物理学会第書

大 実算

分（第）

・第一

第一 理計算による電界面の理 計

・計算科学を活用した 電 研究開発動向- 1-― 103 ―

筑波大学 計算科学研究センター 令和三年度 年次報告書（i）シー ムシー・リサー

異分野

連携・異分野学連携

連 携 ・国 際 連 携 ・ 国 際 活 動センター

科学第一

理

トウェ

部 の 教
自語ーラムを主=し

月

たり

教 と研究協力を行っていると生成文法としての自第高性能計算システム研究。

コンピュータの ラー プリとして自語に関する情報交

定期ミーティングで「定期ミーティングで「学の開発に情報 自!

会を月一語処理行っている 小理 計算科学」

月語処理 普¹文法」 という。
第を行った。

連携i 会  金とを用いた タ表面の 応 に関する学術指導を行った。
大ク

ミネi会に対し物の第一理計算に関する学術指導を行い学術 文を共同で出 した。
大トタ自動 i 会 と有機高分 の金 表面上での電気 学応制 に関する共同研究をおこなった。
大

第 本

大

一般i 会 と金のに関する共同研究をおこなった。

法 電気 学界面シミュレーションコン ーシ ムの代表理事を めを行った。
大大学物性研究 の部 で開発しているトウェ 開発・高度 プロ ェクトに採択され法の高度 ・高速 を行った。

科学技術研究開発研究機究に基づき

関科学研究の研究者と研の開発と応用に関わる共同研究を行った。

国際連携・国際活動

ト秒

科学に関し

グラー科大学

マックスプランク学研究

リ ナ大学の実 グループと共同研究を行っている。
時間研究を

密度 関数理 を用いたレーザーによる物質の過 に関する共同

ル ー大学 オーストラリ 国立大学の理 研究者と実施している。

- 1-― 104 ―筑波大学 計算科学研究センター 令和三年度 年次報告書の国際交流プロ

ェクト によると物質のに関する理 と計算に関わる国際ネット ーク形成プロ ェクト作用に基づく国際共同研究を行っているが 今年度はコロナ のため活動が 止していた。

シンポジウム研究スーの績の利用に関する ュートリ ルを 大 大学コンピュテーショナル・マテ
リ ルズ・デザインークショップにおいてバンストコースとして年実施した。また 高度情報科学技術研究機 の支援のもと

都大学学術 ディ合センターにおいて ンズオン ュートリ ルを実施した。

理・センター の役 として員

事 員会 員員

センター

センター 特別員会

協議会 員 先端計算科学推進

共同研究 員会など。物理学域の役 として員会 員 物理学

物性研究部 部

域 より 集 員など。
小筑波大学全学計算機システム

前（学 ）応用理 学

性・分サテライトの管理年クラス

応用理 学

ラー ング 員 物学サ プログラム数理 `セミナー（後期）世・国際

一 （プレスリリース） “「高速（応シミュレーションに成」を用いた”

筑波大学）の特になし- 1-― 105 ―

超の大学を含むナ 物質の超科学技術機