大規模相対論的量子化学計算手法の開発と新元素戦略への応用

大规模相对论量子化学计算方法发展及其在新元素策略中的应用

• 批准号: 12J07987
• 负责人: 清野 淳司
• 金额: $ 2.32万
• 依托单位: Waseda University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2012
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2012-04-01 至 2015-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-12J07987/
• 关键词: 相対論的量子化学; 大規模分子論; 解析的微分法; 分子物性計算; 電子反発積分; 随伴座標展開-移行漸化関係式法; 重元素化合物; 大規模分子理論; 分割統治法; 局所ユニタリー変換; 内殻固定ポテンシャル法; 電子相関; 量子電磁気学効果; 2成分相対論

本年度は昨年度までに開発してきた、あらゆる分子系で正しく電子の挙動を表現できる理論を種々の分子物性に適用し、実験値と比較することで精度検証を行った。また任意の重元素化合物計算で律速となる、電子反発積分（ERI）に対して最適なアルゴリズムの開発を行った。1.高精度相対論的電子状態理論に基づく種々の分子物性に対する精度検証: 昨年度までに、高効率・高精度に相対論的ハミルトニアンを与える、無限次Dougals-Kroll-Hess（IODKH）法を基盤にした局所ユニタリー変換（LUT）法を開発し、さらに分子物性・分子構造決定に不可欠となる解析的微分法の確立を行ってきた。これまではハミルトニアンの1階微分により求まる各原子に働く力から、構造最適化計算を行ってきたが、本年度は2階微分から求まる分子物性をプログラム実装した。本プログラムを用いて、種々の2原子分子における振動数、力の定数、ゼロ点エネルギー、および、金属錯体の気相中の生成エンタルピーの数値検証を行った。その結果、これらの分子物性に対する相対論効果の重要性が示唆されると同時に、従来困難であった規模の計算が実行可能になり、様々な分子物性を高精度に予測することができる手法であることが確かめられた。2.重元素化合物に対する高速な電子反発積分アルゴリズムの開発:本研究で開発したLUT-IODKH法を用いることにより量子化学計算の律速となる積分計算は、相対論へのユニタリー変換から、非相対論と同様のERIにシフトする。本研究では特に重元素化合物のERI計算で有効となる、随伴座標展開-移項漸化関係式（ACE-TRR）法を開発した。種々の金属クラスターや金属錯体の数値検証により、本手法は重元素化合物のERI計算において世界最速と言われていたMOLPROプログラムよりも、2倍以上高速であることが確かめられた。

This year's annual ま は yesterday で に open 発 し て き た, あ ら ゆ る molecular system で is し く electronic の 挙 perform very で を き る theory を 々 の に applicable し molecular property, be 験 numerical と compare す る こ と で precision 検 line card を っ た. ま た speed calculating の heavy elements compound で law と な る integral (ERI), electronic anti 発 に し seaborne て optimum な ア ル ゴ リ ズ ム の open 発 を line っ た. The electronic state theory of high-precision opposition に basis づく kinds 々 of <s:1> molecular physical properties に against する precision 検 proof: Yesterday annual ま で に, high precision, high working rate に phase theory of seaborne ハ ミ ル ト ニ ア ン を and え る, infinite time Dougals Kroll - Hess method (IODKH) を base plate に し た bureau ユ ニ タ リ ー - switch (LUT) method を 発 し, さ ら に molecular property, molecular structure decision に not owe と な る analytical differentiation of の line established を っ て Youdaoplaceholder0 た. こ れ ま で は ハ ミ ル ト ニ ア ン の 1 order differential に よ り o ま る each atom に 働 く force か ら, structural optimization calculation を っ て き た が, this year's は 2 order differential か ら o ま る molecular property を プ ロ グ ラ ム be loaded し た. This プ ロ グ ラ ム を with い て, kind of 々 の 2 atom molecule に お け る の vibration, force constant, ゼ ロ point エ ネ ル ギ ー, お よ び, metal misprinted の 気 phase の generated エ ン タ ル ピ ー の line card of the numerical 検 を っ た. そ の results, こ れ ら の molecular property に す seaborne る phase theory of seaborne unseen fruit の importance が in stopping さ れ る と に at the same time, difficulty 従 to で あ っ の た scale computing が may be line に な り, others 々 な molecular property を high-precision に to す る こ と が で き る gimmick で あ る こ と が か indeed め ら れ た. 2. Heavy elements compound に す seaborne る な high-speed electronic anti 発 integral ア ル ゴ リ ズ ム の open 発 : this research で open 発 し た LUT を IODKH method with い る こ と に よ の law り quantum chemical calculation speed と な る は, phase integral theory of seaborne へ の ユ ニ タ リ ー variations in か ら, non phase theory of seaborne と with others の ERI に シ フ ト す る. In this study, で and に are particularly に heavy element compounds. The <s:1> ERI calculation is で effective となる and developed by the associated coordinate expansion - transposition asymptotic relation (ACE-TRR) method を た. Kind of 々 の metal ク ラ ス タ ー や metal misprinted の card of the numerical 検 に よ り, this technique は heavy elements compound の ERI computing に お い て world the steepest と said わ れ て い た MOLPRO プ ロ グ ラ ム よ り も, 2 times more than high-speed で あ る こ と が か indeed め ら れ た.

项目成果

Analytical energy gradient based on spin-free infinite-order Douglas-Krol 1-Hess method with local unitary transformation

基于局部酉变换无自旋无限阶Douglas-Krol 1-Hess方法的解析能量梯度

• DOI: 10.1063/1.4850638
• 发表时间: 2013
• 期刊: The Journal of Chemical Physics
• 作者: Y. Nakajima;J. Seino;and H. Nakai
• 通讯作者: and H. Nakai

Overall Linear-Scaling Relativistic Scheme Based on Local Unitary Transformation and Divide-and-Conquer Method

基于局部酉变换和分治法的整体线性标度相对论方案

• 发表时间: 2013
• 作者: 清野淳司;樽見望都;中井浩巳;Junji Seino and Hiromi Nakai
• 通讯作者: Junji Seino and Hiromi Nakai

Large-scale two-component relativistic quantum-chemical theory: Combination of the infinite-order Douglas-Kroll-Hess method with the local unitary transformation scheme and the divide-and-conquer method

大规模二元相对论量子化学理论：无限阶Douglas-Kroll-Hess方法与局部酉变换格式和分而治之法的组合

• DOI: 10.1002/qua.24758
• 发表时间: 2015
• 期刊: International Journal of Quantum Cheistry (Special issue: Theoretical Chemistry in Japan)
• 作者: Daeheum Cho;Kyoung Chul Ko;Yasuhiro Ikabata;Kazufumi Wakayama;Takeshi Yoshikawa;Hiromi Nakai and Jin Yong Lee;Junji Seino and Hiromi Nakai
• 通讯作者: Junji Seino and Hiromi Nakai

大規模分子系のための線形スケーリング相対論的量子化学理論の開発

大规模分子系统线性标度相对论量子化学理论的发展

• 发表时间: 2013
• 作者: 清野淳司;中井浩巳
• 通讯作者: 中井浩巳

大規模・高精度相対論的量子化学理論の開発(4) : 内殻固定ポテンシャル法の開発

大规模、高精度相对论量子化学理论的发展（四）：内壳固定势法的发展

• 发表时间: 2013
• 作者: 清野淳司;樽見望都;中井浩巳
• 通讯作者: 中井浩巳