原子描像に基づく非コヒーレント輸送の第一原理輸送計算法の開発とナノ構造への応用

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本年度は本研究で開発した第一原理電子輸送計算プログラムを使用し、一次元系である共役系有機分子ワイヤーと3次元系であるA1/Si/Alの金属・半導体・金属界面接合系に対して電子輸送特性の解析を行った。特に分子ワイヤーの計算については有機材料の特徴である構造の柔軟性を考慮し、分子構造の変化を取り入れた系の解析を行い、その電気伝導度、電流一電圧特性を明らかにした。また、金属・半導体・金属接合系についでは、半導体材料の暑さに対する電子輸送特性の依存性の解析に加え、プログラムの更なる高効率化を実現した。1次元系と異なり、接合界面系においては界面方向の周期性により計算は高負荷なものとなる。そこで並列計算に加えて疎行列演算をプログラムに組み込むことで、計算に使用するコア数の増加に伴い平均性能向上比97%の良好なスケーラビリティーを実現した。これは例えば1024コアを使用した際、1コアでの計算に対して988倍もの効率化が見込めることを意味する。疎行列演算には本研究で用いた原子局在基底関数が有限のカットオフ半径を持ち、計算対象のKohn-Sbamハミルトニアンの非零の行列要素が系の構造のみから決定されることを利用し、Fortran2003の機能により非零行列要素のみを厳密に格納するフォーマット新規に開発することで対処した。特に計算に使用する配列が疎行列形式となったことにより、並列計算時に不可欠なプロセス間の通信不可を最小限に抑えられ、これが本研究で達成した高い性能向上比につながった。また以上の結果は日本物理学会において発表済みであるとともに、現在学術誌へ投稿、査読中である