経路積分セントロイド分子動力学計算による固体・液体水素の量子ダイナミクスの研究

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固体水素系に対して適用される、径路積分セントロイド分子動力学(CMD)シミュレーションの運動方程式(定温定圧規準振動CMD法)、数値積分アルゴリズム、およびCMDシミュレーションのためのプログラムを開発した。この方法・ソフトウェアを用い、結晶のパラ水素に対する、定温定圧のCMDシミュレーションを行った。粒子数216個のhCP格子に村する計算で、Nose-Hoover chain型の定温法とAndersenの定圧法を組み合わせている。このシミュレーションによって相当時間にわたるセントロイドのトラジェクトリーを得、そのデータをもとに、セントロイドの速度自己相関関数のパワースペクトル(フォノン状態密度)の解析を行った。計算された振動スペクトルは実験のフォノン状態密度によく一致した。核の量は子化により零点振動によってセントロイドの感じる有効ポテンシャルが浅くソフト化することがわかった。量子化した系が古典系よりも融解しやすい理由はこの有効ポテンシャルの変化であることもわかった。また、量子化によってスペクトルが著しくレッド・シフトし、有効ポテンシャルのソフト化に対応していることがわかった。さらに、時空相関関数の一種である、実時間・逆空間に対する中間散乱関数(コヒーレント、インコヒーレント成分とも)を計算し、そのフーリエ変換から動的構造因子を各散乱ベクトルの方向に対して求めた。その結果、実験的なフォノンの分散関係に見られるような振動数の分散が観測された。