超伝導密度汎関数理論とマテリアルズインフォマティクスによる超伝導物質探索

利用超导密度泛函理论和材料信息学寻找超导材料

• 批准号: 20K15012
• 负责人: 河村 光晶
• 金额: $ 2.25万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20K15012/
• 关键词: 超伝導密度汎関数理論; 電子フォノン相互作用; 水素化物超伝導体; グラフニューラルネットワーク; GPGPU; スピン揺らぎ; スピン軌道相互作用; ウルトラソフト擬ポテンシャル; 第一原理計算; マテリアルズインフォマティクス; ベイズ推定; 電子-フォノン相互作用

H3Sなどの水素化物超伝導体は、質量が最小である水素原子に由来する高い格子振動エネルギーと内核電子が存在ことに由来する大きな電子フォノン相互作用から、フォノン型超伝導体でありながら高いTcを実現している。しかし安定的に存在するためには数百GPaという超高が必要となるため、より低い圧力での水素化物の安定構造の探索が行われている。我々は小正路らによる球充填を指導原理とする構造探索と第一原理構造最適化により、10GPaという比較的低圧で相安定・動的安定となる水素化物の新規構造を予測し、その中の二つH12ScY2SrとH12ScY2Caに対して超伝導密度汎関数理論に基づく第一原理Tc計算を行った。200GPaでのH3SのTcが約190K(計算値)であるのに対してこれらの物質のTcの計算結果は約10Kとなり、超伝導性は発現するもののTcは抑えられていることが分かった。さらなる電子状態の解析により、これらの4元系水素化物では電子軌道が原子位置に局在しており(イオン結合的)、原子間領域に広がった電子状態を持つH3Sとくらべて電子フォノン相互作用が小さくなることが分かった。これらの結果から、電子フォノン相互作用を増強する可能性のある電子状態の実空間分布に関する知見を得た。21年度に高速化を行った超伝導密度汎関数計算プログラムに関して、さらなる高速化および新規スパコンへの対応のため演算加速装置(GPGPU)を使うように改良を行っている。22年度では演算の重い部分を見つけ出すこと、GPGPU搭載マシンでの実行が可能になる所までを行った。本格的な高速化は23年度に行う。機械学習による、第一原理計算結果のモデル化については、より多種の元素・構造に対応するためにグラフニューラルネットワークを用いた回帰・分類を行う方法を取り入れ、まずは本番のTcのモデル化の前に状態密度の機械学習を行った。

H3S な ど の water element compound ultra 伝 は conductor, minimum quality が で あ る water element atoms に origin す る high い lattice vibration エ ネ ル ギ ー と kernel electronic が exist こ と に origin す る big き な electronic フ ォ ノ ン interaction か ら, フ ォ ノ ン type super conductor 伝 で あ り な が ら い high Tc を be presently し て い る. し か し stable に exist す る た め に は hundreds of GPa と い う ultra-high が necessary と な る た め, よ り い low pressure で の water element compound の stable tectonic line の explore が わ れ て い る. I 々 は small straight ら に よ る ball filling を guiding principle と す る structure exploration と first principle optimization に よ り, 10 gpa と い う compared low 圧 で phase stability, dynamic stability と な る water element compound の し を to test the new rules structure, そ の の in two つ H12ScY2Sr と H12ScY2Ca に し seaborne て super 伝 guide density masato に base づ number theory Youdaoplaceholder0 first-principles Tc calculation を lines った. 200 gpa で の H3S の about 190 k (nt) Tc が で あ る の に し seaborne て こ れ ら の material の Tc の results は about 10 k と な り, super 伝 conductivity は 発 now す る も の の Tc は え suppression ら れ て い る こ と が points か っ た. さ ら な る electronic state の parsing に よ り, こ れ ら の $4 is a water element compound で は が atomic electron orbital location に bureau in し て お り (イ オ ン combination), between atoms に hiroo が っ た electronic state を hold つ H3S と く ら べ て electronic フ ォ ノ ン が interaction between small さ く な る こ と が points か っ た. こ れ ら の results か ら, electronic フ ォ ノ ン を raised strong interaction between す る possibility の あ る electronic state の be spatial distribution に masato す る knowledge を た. Line 21 year high speed に を っ た super 伝 guide density masato counting プ ロ グ ラ ム に masato し て, さ ら な high speed る お よ び new rules ス パ コ ン へ の 応 seaborne の た め calculus acceleration device (GPGPU) を make う よ う に improved line を っ て い る. 22 year で は calculus の heavy い section を sees つ け out す こ と, GPGPU carry マ シ ン で の may be line が に な る by ま で を line っ た. This year's な high-speed な 2023 に line う. Rote learning に よ る, first principles calculation results の モ デ ル change に つ い て は, よ り variety of の elements, structure に 応 seaborne す る た め に グ ラ フ ニ ュ ー ラ ル ネ ッ ト ワ ー ク を with い た 帰 back line, classification を う を り into れ, for ま ず は this transgressions の Tc の モ デ ル change state before に の line density の mechanical learning を っ た.

项目成果

Benchmark and application of density functional theory for superconductors

超导体密度泛函理论基准及应用

• 发表时间: 2022
• 作者: 饗庭伸;岡村健太郎;辻本侑生;池田浩敬;木村周平;楳本 大悟;Mitsuaki Kawamura
• 通讯作者: Mitsuaki Kawamura

スピン揺らぎおよびスピン-軌道相互作用を取り入れた超伝導密度汎関数理論の精度検証

结合自旋涨落和自旋轨道相互作用的超导密度泛函理论的准确性验证

• 发表时间: 2020
• 作者: KINOSHITA Ryouhei;EGUSA Daisuke;SASAKI Taisuke;HONO Kazuhiro;TATEYAMA Shinji;MINODA Tadashi;TANAKA Hiroki;ABE Eiji;河村光晶
• 通讯作者: 河村光晶

Effect of spin fluctuations on superconductivity in V and Nb: A first-principles study

自旋涨落对 V 和 Nb 超导性的影响：第一性原理研究

• DOI: 10.1103/physrevb.102.214515
• 发表时间: 2020
• 期刊: Physical Review B
• 影响因子: 3.7
• 作者: Tsutsumi Kentaro;Hizume Yuma;Kawamura Mitsuaki;Akashi Ryosuke;Tsuneyuki Shinji
• 通讯作者: Tsuneyuki Shinji

Benchmark of density functional theory for superconductors

超导体密度泛函理论的基准

• 发表时间: 2022
• 作者: Mitsuaki Kawamura

従来型および非従来型超伝導体における超伝導密度汎関数理論に基づく第一原理Tc計算

基于超导密度泛函理论的常规和非常规超导体第一性原理 Tc 计算

• 发表时间: 2022
• 作者: 河村光晶;尾崎泰助
• 通讯作者: 尾崎泰助