本研究グループでは、量子力学の第一原理に基づく高精度計算手法を用い、さまざまな分子やナノ構造体における電子状態や電気伝導特性を理論的側面からの解析、研究を行っています。

ナノスケールの物質についてその機能や物性を理解するためには、ナノの領域に特有な現象や、その背景にある物理的、化学的メカニズムを解明する必要がありますが、そのすべてを実験のみで明らかにすることは容易ではありません。

そこで本研究グループでは、コンピュータを用いた量子シミュレーションによりナノのスケールにおける電子や原子・分子の挙動を解析することで、ナノスケール材料の構造や機能の予測・解明を行い、理論的側面から有用な機能を持つ新材料の提唱をしていきます。

また、量子シミュレーションを実行するためのツールとして、新たな計算手法やアルゴリズムの開発なども併せて行っています。

本研究グループで用いている第一原理計算手法は実空間差分法に基づいています。この実空間差分法とは、空間を等間隔のグリッドで区切り、そのグリッド上で波動関数やポテンシャルの値を直接定義する手法です。

一般的な第一原理計算手法では、原子軌道展開法や平面波展開法など基底関数によって波動関数を展開する手法が用いられていますが、原子軌道展開法では用いる軌道の選び方によって計算精度に揺らぎが生じてしまうという問題があり、また平面波展開法では周期関数である平面波を用いるため計算モデルに周期境界条件を課す必要があるという制約があります。

実空間差分法では、このような基底関数による問題や制約を回避し、半無限に広がる表面や電極や、非周期的な電界が印加されたモデルも精度良く扱うことができます。また、空間全域にわたる高速フーリエ変換などの大規模な逐次計算を必要としないので、並列コンピューティングの導入も容易です。

本研究グループでは、ナノスケール物質における電子の輸送現象を解明するために、第一原理に基づく数値シミュレーションを行なっています。本研究グループで用いている計算手法は大きく２つあり、定常状態における電子輸送現象をシミュレートするための手法（IOBM法、GLS法）と時間に依存した電子輸送現象をシミュレートするための手法（IR法）があります。

IOBM法やGLS法では、対向する一対の半無限に続く電極間に挟まれたナノ物質（散乱領域）を考え、電極の奥深くから伝播してくるBloch波を入射波として散乱領域における散乱波動関数を計算しています。実際には、左右の電極におけるBloch波に散乱波動関数が滑らかに接続するという散乱の境界条件のもとでKohn-Sham方程式を解くことになります。

一方、IR法では、電極内部に発生させたインパルス波を入射波として考え、時間依存密度汎関数法(TDDFT)に基づく時間発展演算子を繰り返し作用させることで散乱領域における電子輸送のリアルタイムプロセスを解析しています。IR法でのシミュレーション結果について、一例をこちらで見ることができます。

本研究グループで使用している計算プログラムの一部は、筑波大学 計算科学研究センター 量子物性研究部門 / 数理物質科学研究科 物理学専攻 表面界面物性研究領域 小野研究室にて開発された「RSPACE」コードを提供していただいております。