原子を操れば、必要な機能性をもつ物質を創ることができる。そのためには、物質の性質をしっかり理解したうえで、緻密な設計図を作る必要がある。そんな物質設計を可能にするための研究が、物質科学の分野では進んでいる。確かにその発展は著しく、実際、新しい物質を意図的に作ったというニュースが新聞等を賑わせている。最近では、理論計算と精密実験ががっちり手を組むことにより、研究が進められている。
The atom-manipulation technology has made it possible to develop a material of desired functionality. For that purpose, we need to deeply understand the properties of matter and design a material. You may frequently find in a newspaper a report on newly designed materials, which indicates rapid progress being made in the materials science. Some of them are based on a joint theoretical and experimental research.
その中で、計算物質科学という分野が特に注目を集めている。
The theoretical study is called computational materials science.
これは、電子と原子核の状態や運動を計算機で求め、物質の性質を予測する分野である。ミクロの世界は、我々が日常生活をしている世界の原理（古典力学）とは異なり、量子が支配する世界なので、シュレティンガー方程式等を解く必要がある。それを解いて物質予測をすることが、今、可能な時代に突入している。
Therein the property of matter is predicted by simulating the state/dynamics of the electrons and the nuclei. For that purpose we need to solve the Schoedinger equation because the microscopic world is the quantum world, being completely different from the classical world that governs the daily life. It is now possible to solve the equation to predict the property even when the material has been unknown at all.
解くべき方程式は、例えば、大学で習う1粒子のシュレティンガー方程式（3次元波動方程式）を拡張したN粒子の方程式であり、3N次元の波動方程式である。Nは電子数であり、物質中には膨大な数の電子がいることを考えると、その膨大さはかなりのものである。これはさすがに解けない。これを3次元の方程式に焼き直せるというのが1960年代に生みだされた密度汎関数理論(DFT)であり、以来、この理論に基づき計算物質科学が驚くべき発展を遂げてきた。周期表の元素を組み合わせてできるほとんど全ての物質に対して、一つのプログラムで計算できるアプリが開発され、それを使った研究がしのぎを削って行われている。
The equation to solve is an extension of the one-body Schrodinger equation, or the three-dimensional wave equation, which you may have learned in university; the extended equation is 3N dimensional, where N is the number of the electrons. Since there is large number of electrons in a material, the equation is too large to solve, of course. In 1960s, however, the density functional theory (DFT) was developed to map the equation into a 3-dimensional one. The surprising theory can be applied to almost all the materials consisting of any element in the periodic table. DFT is the basis of modern computational materials science. Program packages have been developed and distributed to scientists.
この理論の恩恵に浴しながら研究を進めていくことは、当分の間可能であろう。しかし同時に、これに続く理論を作っていくのが理論家の役割である。このポストDFTとして、我々はグリーン関数に基づく多体摂動論と情報圧縮理論を用いた波動関数理論を研究している。次世代の高精度計算手法として汎用的に用いることのできる道具として発展させることを目指している。どんな複雑な現象でも、がんばれば、計算機上で精密に再現して見ることができる時代の到来を望んで、研究を進めている。
Besides utilizing DFT, it is important for theoreticians to develop a succeeding theory. Our group is developing theory to compute the electronic properties using the many-body perturbation theory, which is based on the Green’s function method, and the wave function theory that is based on the information theory. We believe that such methods will open the post DFT era which brings breakthrough in the material research.
