分光測定を再現するMaxwell方程式と融合した分子動力学マルチスケール法の開発

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本課題では、光と分子（物質）の相互作用を力場モデルの枠組みで記述する光・分子動力学統合の計算化学の開発を目指している。昨年度までは分極力場を用いることにより分子シミュレーションとMaxwell方程式をマルチスケール化モデルの利用により統合したMaxwell＋分極力場MD法を開発し、分子性固体のテラヘルツ分光への適用研究を行った。今年度はフォトニクス研究や最近の分光実験で重要な金属へと対象を広げるため、可視領域での溶液内金属の光学応答を記述することができる分子シミュレーションを開発した。金属の光学特性は自由電子に由来するため、固定点電荷や断熱的な電子分極を表現する従来の力場モデルでは吸収を伴う可視光との相互作用を記述することができない。本課題では、金属内自由電子の古典運動ならびに光振動電場を分子シミュレーションの枠組みに組み入れることにより新たな計算手法：古典電子・分子動力学法を構築した。さらに分極可能モデルの溶媒分子を配置することで、溶液との相互作用を含む光応答が記述可能になる。本手法を用いて、(i)鏡像関係を満たす金属の電荷分布、(ii)バルク金属の誘電関数、(iii)水溶液中の金属ナノ粒子の吸収スペクトル、(iv)可視光照射によるプラズモン共鳴励起と熱・エネルギー緩和過程、が再現できることを実証した。すなわち、光－金属相互作用の非断熱的な時間発展を力場レベルの計算化学で実現した。