物質は電子と原子核でできています。電子は、原子核に比べて1/1000から1/100000の質量でとても軽く、原子核の隙間を高速に飛び回ることで、物質の主たる性質を決定しています。ですので、物質の中での電子の運動がわかれば、物質の性質を予言することができます。

電子の運動は量子力学に従います。第一原理計算は、量子力学のシュレディンガー方程式に則って、 そのような物質の中の電子の運動をコンピュータの力を借りて計算する方法です。そして、計算した電子の運動から、さまざまな物質の性質を求め、調べることができます。

第一原理計算は、未知の物質の性質の探索や、実験では測定のできない原子スケールの物理現象を調べることができるので、大変強力な研究手法です。

参考：

影島博之、「応用物理」基礎講座「第一原理計算Ｉ」

白石賢二、伊藤智徳、影島博之、「ナノエレクトロニクスと計算科学」 電子情報通信学会編 コロナ社

第一原理計算ソフトPHASE0

l第一原理計算ソフトVASP

第一原理計算の動作原理

・ 電子状態をどうやって計算するのか？

        ・ 多原子系の取り扱い方ー一体近似

・ 多体相関

        ・ 密度汎関数法−準備1

        ・ 密度汎関数法−準備2

        ・ Hohenberg-Kohnの定理

        ・ Kohn-Sham法1

        ・ Kohn-Sham法2

        ・ Kohn-Sham法3

・ 交換相関相互作用ポテンシャルのいろいろ

・ 第一原理計算の基本方程式

        ・ 多原子系の取り扱い方ー変分法

        ・ 多原子系の取り扱い方ーLCAO法

        ・ 結晶におけるLCAO法

・ 基底関数のいろいろ

・ 平面波基底

・ 平面波基底の場合の第一原理計算の基本方程式

・ 擬ポテンシャル

・ 超ソフト擬ポテンシャル

・ 平面波基底・擬ポテンシャル第一原理計算の基本方程式

・ 自己無撞着計算(self-consistent calculation)

        ・ グラフェンとシリコンの電子状態

第一原理計算を行うに当たって知っておきたいこと

・ 第一原理計算を始めるには

・ 計算の怖さ

・ 計算パラメータの決め方

・ 計算に用いるモデルの取り方

・ 結果の解析・解釈について

第一原理計算を使うと何がわかるのか、どんな役に立つのか

・ シリコン酸化の機構解明

第一原理計算と良く似た手法に、量子化学計算があります。量子化学計算は、化学の分野で発展してきたため、原子・分子・高分子を主たる計算対象としています。一方、第一原理計算は、物理の分野で発展してきたため、固体・表面・界面を主たる計算対象としています。

第一原理計算は近年急速な進展を見せており、誘電率や非線形光学応答、スピン軌道相互作用、ノンコリニア磁性、ファンデルワールス力、ラマン振動数、フォノンスペクトル、電子格子相互作用、超伝導転移温度など、新たな物性量の計算が次々に可能となってきています。

総合理工学部

自然科学研究科

島根大学