[論文レビュー] Microscopic theory and ab initio simulation of atomic heat transport

Aris Marcolongo, Paolo Umari+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 13, 2015

Advanced Physical and Chemical Molecular Interactions参考文献 4被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、密度汎関数理論に基づき、グリーン＝キューブ形式における平衡分子動力学を用いた、原子的熱輸送をシミュレートする画期的なab initio手法を提示する。この手法は、定義が曖昧な量子エネルギー密度に依存しない明確に定義された断熱的エネルギーフラックスを導入することで、常温下の重水のような物質における熱伝導率の高精度な計算を可能にする。

ABSTRACT

Quantum simulation methods based on density-functional theory are currently deemed to be unfit to cope with atomic thermal transport in materials within the Green-Kubo formalism. In contrast with this belief, we derive an expression for the adiabatic energy flux from density-functional theory, that permits the ab initio simulation of atomic thermal transport using equilibrium molecular dy- namics. The resulting thermal conductivity is shown to be unaffected by the inherent ill-definedness of quantum mechanical energy densities and currents. Our new methodology is demonstrated by comparing results from ab-initio and classical molecular-dynamics simulations of a model liquid- Argon system, for which accurate inter-atomic potentials are derived by the force-matching method, and finally applied to compute the thermal conductivity of heavy water at ambient conditions.

研究の動機と目的

• グリーン＝キューブ形式における原子的熱輸送シミュレーションにおいて、密度汎関数理論が本質的に不適合であるという認識を克服すること。
• 熱伝導率計算における量子力学的エネルギー密度およびエネルギー流束の定義が曖昧である問題を解決すること。
• 平衡分子動力学を用いた一貫性がありab initioな熱伝導率計算のためのフレームワークを構築すること。
• 力一致法を用いて作成した原子間ポテンシャルを用いて、モデル系の液体アルゴン系における手法の妥当性を検証すること。
• 常温下の重水の熱伝導率を計算するために、この手法を応用すること。

提案手法

• 定義が曖昧な量子エネルギー密度に依存しない、密度汎関数理論に基づく断熱的エネルギーフラックスの式を導出すること。
• 導出されたエネルギーフラックスを用いて、平衡分子動力学シミュレーションを実行し、グリーン＝キューブ関係を用いて熱伝導率を計算すること。
• 力一致法を用いてアルゴンの高精度な原子間ポテンシャルを構築し、古典的検証を可能にすること。
• 同じ形式を用いて、導出されたエネルギーフラックスを用いた密度汎関数理論に基づく重水のab initioシミュレーションを実施すること。
• 熱伝導率の結果が、量子領域におけるエネルギー密度およびエネルギー流束の任意的定義に依存しないことを確認することで、一貫性を確保すること。
• ab initioと古典的シミュレーションの比較を通じて、手法の精度および頑健性を検証すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 密度汎関数理論は、グリーン＝キューブ形式において、原子的熱輸送を計算するために信頼性を持って使用可能か？
• RQ2 断熱的エネルギーフラックスの定式化は、熱伝導率計算における定義が曖昧な量子エネルギー密度への依存を解消するか？
• RQ3 提案手法は、液体アルゴンのようなモデル系において、熱伝導率をどれほど正確に再現できるか？
• RQ4 本手法は、常温下の実際の物質、例えば重水の熱伝導率を計算するために効果的に適用可能か？
• RQ5 熱伝導率の結果は、量子力学的エネルギー密度およびエネルギー流束の異なる定義に対して不変か？

主な発見

• 導出された断熱的エネルギーフラックスにより、定義が曖昧な量子エネルギー密度に依存しない一貫性のあるab initio熱伝導率計算が可能になった。
• 本手法は、量子領域におけるエネルギー密度およびエネルギー流束の任意的定義に依存しない、安定で頑健な熱伝導率値を生成した。
• 力一致ポテンシャルを用いた古典的分子動力学シミュレーションにより、液体アルゴン系においてab initio結果と良好な一致が得られ、手法の精度が検証された。
• 提案されたab initioフレームワークを用いて、常温下の重水の熱伝導率が成功裏に計算された。
• 本手法は、正しいエネルギーフラックスの定式化を用いることで、密度汎関数理論がグリーン＝キューブ形式における熱輸送に適合可能であることを示した。