Researchers Database
KINUGAWA Kenichi
| ■Faculty | Faculty Division of Natural Sciences Research Group of Chemistry | |||
| ■Position | Professor | |||
Last Updated :2024/04/16
researchmap
Profile and Settings
Name (Japanese)
KinugawaName (Kana)
Kenichi
Degree
- Master of Engineering, Kyoto University, Mar. 1988
- Doctor of Engineering, Kyoto University, Mar. 1994
Research Interests
- 氷
- プロトン
- 熱容量
- アモルファス
- 超臨界
- ヘリウム
- 水素
- 量子効果
- 低温物性
- 量子固体
- 量子液体
- コンピューター・シミュレーション
- 分子動力学
- 経路積分
- 量子ダイナミクス
- ポリアモルフィズム
- ガラス
- phase transition
Research Areas
- Natural sciences, Bio-, chemical, and soft-matter physics
- Nanotechnology/Materials, Basic physical chemistry
Research Experience
- 2008, 2012, :奈良女子大学理学部化学科教授
- 2012, -:奈良女子大学研究院自然科学系化学領域教授
- 2007, 2008, :奈良女子大学理学部化学科准教授
- 1997, 2007, :奈良女子大学理学部助教授
- 1996, 1997, :奈良女子大学理学部講師
- 1995, 1996, :米国ペンシルベニア大学化学科博士研究員（米国雇用）
- 1993, 1996, :大阪府立大学総合科学部助手
- 1988, 1993, :通商産業省工業技術院大阪工業技術試験所（現・産業技術総合研究所関西センター）通商産業技官
Education
- 1988, 京都大学大学院, 工学研究科, 分子工学, Japan
- 1988, Kyoto University, Graduate School, Division of Engineering
- 1986, Kyoto University, Faculty of Engineering, 工業化学, Japan
- 1986, Kyoto University, Faculty of Engineering
Association Memberships
Ⅱ．研究活動実績
Published Papers
- Refereed, 分子シミュレーション学会誌”アンサンブル”, ヘリウム４の通常液体と超臨界流体への経路積分的アプローチ, 衣川 健一, Jan. 2020, 22, 1, 14, 21, Scientific journal
- Refereed, Chemical Physics, ELSEVIER SCIENCE BV, Beyond classical molecular dynamics: Simulation of quantum-dynamics effects at finite temperatures; The case of condensed molecular hydrogen, Bermejo, F.J.; Kinugawa, K.; Dawidowski, J.; Cabrillo, C.; Fernández-Perea, R., The problem of calculating space-time correlations in liquids that show significant quantum effects at finite temperatures is here addressed. Results derived from centroid molecular dynamics (CMD) are scrutinised against experimental data concerning the liquid static structure factor, the dynamic structure factor for liquid and solid hydrogens as well as several transport properties. The method is found to be able to describe the most salient properties of these materials as well as it helps to quantify the role played by quantum degrees of freedom on structural and dynamic properties. (C) 2005 Elsevier B.V. All rights reserved., 2005, 317, 2-3, 198, 207, Scientific journal, 10.1016/j.chemphys.2005.04.010
- Refereed, Journal of Chemical Physics, AMER INST PHYSICS, Effective potential analytic continuation approach for real time quantum correlation functions involving nonlinear operators, Horikoshi, A.; Kinugawa, K., We apply the effective potential analytic continuation (EPAC) method to the calculation of real time quantum correlation functions involving operators nonlinear in the position operator (q)over cap. For a harmonic system the EPAC method provides the exact correlation function at all temperature ranges, while the other quantum dynamics methods, the centroid molecular dynamics and the ring polymer molecular dynamics, become worse at lower temperature. For an asymmetric anharmonic system, the EPAC correlation function is in very good agreement with the exact one at t=0. When the time increases from zero, the EPAC method gives good coincidence with the exact result at lower temperature. Finally, we propose a simplified version of the EPAC method to reduce the computational cost required for the calculation of the standard effective potential. (c) 2005 American Institute of Physics., 2005, 122, 17, 174104, 174113, Scientific journal, 10.1063/1.1888576
- Refereed, Journal of Chemical Physics, AMER INST PHYSICS, Effective potential analytic continuation calculations of real time quantum correlation functions: Asymmetric systems, Horikoshi, A.; Kinugawa, K., We apply the effective potential analytic continuation (EPAC) method to one-dimensional asymmetric potential systems to obtain the real time quantum correlation functions at various temperatures. Comparing the EPAC results with the exact results, we find that for an asymmetric anharmonic oscillator the EPAC results are in very good agreement with the exact ones at low temperature, while this agreement becomes worse as the temperature increases. We also show that the EPAC calculation for a certain type of asymmetric potentials can be reduced to that for the corresponding symmetric potentials. (C) 2004 American Institute of Physics., 2004, 121, 7, 2891, 2898, Scientific journal, 10.1063/1.1774161
- Refereed, Physical Review B - Condensed Matter and Materials Physics, Static structure factor of liquid parahydrogen, Dawidowski, J.; Bermejo, F.J.; Ristig, M.L.; F?k, B.; Cabrillo, C.; Fern{\'a}ndez-Perea, R.; Kinugawa, K.; Campo, J., 2004, 69, 1, Scientific journal, 10.1103/PhysRevB.69.014207
- Refereed, Journal of Chemical Physics, AMER INST PHYSICS, Quantum dynamical correlations: Effective potential analytic continuation approach, Horikoshi, A.; Kinugawa, K., We propose a new quantum dynamics method called the effective potential analytic continuation (EPAC) to calculate the real time quantum correlation functions at finite temperature. The method is based on the effective action formalism which includes the standard effective potential. The basic notions of the EPAC are presented for a one-dimensional double well system in comparison with the centroid molecular dynamics (CMD) and the exact real time quantum correlation function. It is shown that both the EPAC and the CMD well reproduce the exact short time behavior, while at longer time their results deviate from the exact one. The CMD correlation function damps rapidly with time because of ensemble dephasing. The EPAC correlation function, however, can reproduce the long time oscillation inherent in the quantum double well systems. It is also shown that the EPAC correlation function can be improved toward the exact correlation function by means of the higher order derivative expansion of the effective action. (C) 2003 American Institute of Physics., 2003, 119, 9, 4629, 4640, Scientific journal, 10.1063/1.1595638
- Refereed, Journal of Chemical Physics, Molecular collective dynamics in solid para-hydrogen and ortho-deuterium: The Parrinello-Rahman-type path integral centroid molecular dynamics approach, Saito, H.; Nagao, H.; Nishikawa, K.; Kinugawa, K., 2003, 119, 2, Scientific journal, 10.1063/1.1578474
- Refereed, Physical Review B - Condensed Matter and Materials Physics, AMERICAN PHYSICAL SOC, Microscopic structure factor of liquid parahydrogen: Monte Carlo and molecular dynamics simulations, Bermejo, F.J.; Fåk, B.; Bennington, S.M.; Kinugawa, K.; Dawidowski, J.; Fernández-Díaz, M.T.; Cabrillo, C.; Fernández-Perea, R., We present a comparison of results on the microscopic structure of liquid parahydrogen as calculated by path-integral Monte Carlo and path-integral-centroid-molecular-dynamics simulations. The radial distribution functions calculated using both approaches are found to be in good agreement. The disagreement between published estimates for the static structure factor are found to arise from different approximations followed for the Fourier transform of heavily truncated data. A comparison of the structure of the real liquid with that of a classical analog is also made and shows that the latter would freeze at the experimental liquid density. Liquid parahydrogen is therefore stabilized by the action of large quantum effects., 2002, 66, 21, Scientific journal, 10.1103/PhysRevB.66.212202
- Refereed, Physical Review B - Condensed Matter and Materials Physics, Microscopic structure factor of liquid parahydrogen: Monte Carlo and molecular dynamics simulations, Bermejo, F.J.; F?k, B.; Bennington, S.M.; Kinugawa, K.; Dawidowski, J.; Fern{\'a}ndez-D{\'i}az, M.T.; Cabrillo, C.; Fern{\'a}ndez-Perea, R., 2002, 66, 21, Scientific journal
- Journal of Molecular Liquids, Quantum spin dynamics in solution applicable to quantum computing, Nagao, H.; Kinugawa, K.; Shigeta, Y.; Ohta, K.; Yamaguchi, K., We investigate quantum spin dynamics of spin network systems in a liquid and in a molecular cluster with external magnetic field and discuss the importance of topological spin structures in relation to the quantum computing and quantum mechanical dimensions of the nuclear and the electron spins., 2001, 90, 1-3, 63, 68, Scientific journal, 10.1016/S0167-7322(01)00107-6
- Refereed, Physical Review Letters, AMERICAN PHYSICAL SOC, Quantum effects on liquid dynamics as evidenced by the presence of well-defined collective excitations in liquid para-hydrogen, Bermejo, F.J.; Kinugawa, K.; Cabrillo, C.; Bennington, S.M.; Fåk, B.; Fernández-Díaz, M.T.; Verkerk, P.; Dawidowski, J.; Fernández-Perea, R., The origin of the well-defined collective excitations found in liquid para-H-2 by recent experiments is investigated. The persistence of their relatively long lifetimes down to microscopic scales is well accounted for by calculations carried out by means of path-integral-centroid molecular dynamics. In contrast only overdamped excitations are found in calculations carried within the classical limit. The results provide fully quantitative evidence of quantum effects on the dynamics of a simple liquid., 2000, 84, 23, 5359, 5362, Scientific journal, 10.1103/PhysRevLett.84.5359
- Progress of Theoretical Physics Supplement, Progress of Theoretical Physics, Path integral centroid molecular dynamics simulation extended to Bose and Fermi statistics, Kinugawa, K.; Nagao, H.; Ohta, K., We explicitly propose a practical technique for the the path integral centroid molecular dynamics (CMD) extended to Bose/Fermi statistics and present a concrete set of equations of motion to be solved in the simulations with computational efficiency., 2000, 138, 531, 532, Scientific journal, 10.1143/PTPS.138.531
- Progress of Theoretical Physics Supplement, Quantum spin dynamics by path integral centroid molecular dynamics method, Shigeta, Y.; Kinugawa, K.; Nagao, H.; Ohta, K.; Yamaguchi, K., We propose a path integral method to investigate the quantum spin dynamics. A centroid with spin is introduced as an average spin coordinate of a closed isomorphic necklace of each spin space, so-called a spin centroid. We calculate the magnetization of a system with total spin 1 and observe magnetic quantum tunneling., 2000, 138, 533, 534, Scientific journal, 10.1143/PTPS.138.533
- Physics and Chemistry of Glasses, X-ray photoelectron spectroscopy of ZnCl
2 based glasses, Kadono, K.; Kinugawa, K.; Tanaka, H., 1994, 35, 2, Scientific journal - Nippon Seramikkusu Kyokai Gakujutsu Ronbunshi/Journal of the Ceramic Society of Japan, Glass formation in systems based on AgX (X = Cl, Br or I), Kadono, Kohei; Yasuyoshi, Akio; Nakano, Kazumi; Kinugawa, Kenichi; Tanaka, Hiroshi, 1992, 100, 1159, Scientific journal, 10.2109/jcersj.100.233
- Refereed, 日本物理学会誌, Quantum Polyamorphism in Helium-4 Glass under the Boltzmann Statistics, Kenichi Kinugawa, May 2023, 78, 5, 273, 278
MISC
- Refereed, 化学と教育, 日本化学会, 化学熱力学を分子レベルから理解するための分子動力学シミュレーションの活用, 衣川健一, Apr. 2022, 70, 4, 172, 173, Introduction scientific journal, False
- Meeting abstracts of the Physical Society of Japan, The Physical Society of Japan (JPS), 13pTH-11 Nonlinear operators in effective-potential based quantum dynamics, Horikoshi Atsushi; Kinugawa Kenichi, 25 Aug. 2004, 59, 2, 303, 303
- Meeting abstracts of the Physical Society of Japan, The Physical Society of Japan (JPS), 28aWE-2 Real time quantum correlation functions from effective potentials : asymmetric systems, Horikoshi Atsushi; Kinugawa Kenichi, 03 Mar. 2004, 59, 1, 358, 358
- Meeting abstracts of the Physical Society of Japan, The Physical Society of Japan (JPS), Real time quantum correlation functions from effective potentials, Horikoshi Atsushi; Kinugawa Kenichi, 15 Aug. 2003, 58, 2, 199, 199
- 分子シミュレーション討論会講演要旨集, Boltzmann統計下の液体4HeのCMDシミュレーションによる量子ポリアモルフィズムと動的物性の解明, 辻本桃子; 衣川健一, 2022, 36th
- 日本物理学会講演概要集(CD-ROM), A path integral simulation of quantum polyamorphism of distinguishable liquid 4He and its dynamical properties, 辻本桃子; 衣川健一, 2022, 77, 2
- 分子シミュレーション討論会講演要旨集, 高圧のヘリウム4ガラスにおける量子ポリアモルフィズムとリエントラント的挙動, 衣川健一; 竹元亜由美, 2021, 35th (CD-ROM)
- 分子シミュレーション討論会講演要旨集, CMDシミュレーションによるBoltzmann統計下での低温の液体ヘリウム4における量子液体ポリアモルフィズムの発見, 辻本桃子; 衣川健一, 2021, 35th (CD-ROM)
- 分子科学討論会講演プログラム&要旨(Web), 多状態経験的原子価結合モデルに基づくプロトンを付加した低温の水クラスターの分子動力学計算, 柏木悠里; 衣川健一, 2018, 12th
- 分子科学討論会講演プログラム&要旨(Web), 超臨界ヘリウム4の静的・動的詳細状態と原子の量子性の及ぼす影響の経路積分分子動力学計算による解明, 竹元亜由美; 衣川健一, 2018, 12th
- 分子シミュレーション討論会講演要旨集, 経路積分CMD計算による超臨界流体ヘリウム4のWidom線と物性の解明, 竹元亜由美; 衣川健一, 2017, 31st
- 分子科学討論会講演プログラム&要旨(Web), 経路積分分子動力学計算による氷Icの静的性質に対する量子効果の研究, 佐藤直香; 衣川健一, 2016, 10th
- 分子科学討論会講演プログラム&要旨(Web), CMD計算により2.2K以上の液体ヘリウムの輸送係数の評価, 衣川健一; 今岡春菜, 2015, 9th
- 固体物理, Theory: Path Integral Centroid Molecular Dynamics Approach to Quantum Dynamics of Condensed Hydrogen, 衣川健一, 2006, 41, 11
- 素粒子論研究, 有効ポテンシャルを用いた量子ダイナミクスの方法における非線形演算子問題, 堀越篤史; 衣川健一, 2005, 111, 3
- 分子構造総合討論会講演要旨集(CD-ROM), 第一原理経路積分分子動力学法によるH5+クラスターの量子揺らぎに関する研究, 太田靖人; 太田靖人; 太田浩二; 衣川健一, 2004, 2004
- 分子構造総合討論会講演要旨集(CD-ROM), 有効ポテンシャルを用いた量子ダイナミクスの方法における非線形演算子問題, 堀越篤史; 堀越篤史; 衣川健一, 2004, 2004
- 分子構造総合討論会講演要旨集(CD-ROM), ab initio経路積分セントロイド分子動力学:二原子分子の振動ダイナミクスへの応用, 太田靖人; 太田浩二; 衣川健一, 2003, 2003
- 分子構造総合討論会講演要旨集(CD-ROM), 経路積分セントロイド分子動力学による液体水素の輸送係数の計算, 米谷佳晃; 衣川健一, 2003, 2003
- 分子構造総合討論会講演要旨集(CD-ROM), 有効ポテンシャル解析接続法による実時間相関関数の計算, 堀越篤史; 衣川健一, 2003, 2003
- 分子構造総合討論会講演要旨集, セントロイドMDによる液体水素の輸送係数の計算, 衣川健一; 芦田尚子, 2002, 2002
- 分子構造総合討論会講演要旨集, Parrinello-Rahman CMD法を用いた固体水素の構造相転移についての研究, 斎藤大明; 衣川健一; 長尾秀実; 西川清, 2002, 2002
- 化学工業, 計算科学技術の活用 量子多分子系ダイナミクス・シミュレーションの発展, 衣川健一, 2002, 53, 4
- 分子シミュレーション討論会講演要旨集, 液体オルト重水素の集団運動に対する径路積分セントロイド分子動力学計算の研究, 芦田尚子; 衣川健一, 2001, 14th
- 分子構造総合討論会講演要旨集, Quantum mechanical operator-based reformulation of path integral centroid molecular dynamics method extended to the Bose and Fermi statistics., 衣川健一; 長尾秀実; 太田浩二, 2001, 2001
- 分子構造総合討論会講演要旨集, Path integral centroid molecular dynamics study of the phonon dispersion relation of solid para-hydrogen., 斎藤大明; 衣川健一; 長尾秀実; 西川清, 2001, 2001
- 分子構造総合討論会講演要旨集, Quantum effects on collective excitations in liquid para-hydrogen., BERMEJO F J; 衣川健一; CABRILLO C; BENNINGTON S M; FAK B; FERNANDEZ-DIAZ M T; VERKERK P; DAWIDOWSKI J; FERNANDEZ-PEREA R, 2000, 2000
- 分子構造総合討論会講演要旨集, A path integral centroid molecular dynamics study of the collective dynamics of liquid ortho-deuterium., 芦田尚子; 衣川健一, 2000, 2000
- 分子シミュレーション討論会講演要旨集, ボーズ・フェルミ統計への径路積分セントロイドMD法の拡張と応用, 衣川健一; 長尾秀実; 太田浩二, 1999, 13th
- 日本化学会講演予稿集, Path integral centroid molecular dynamics method for Bose and Fermi systems., 衣川健一; 長尾秀実; 太田浩二, 1999, 77th
- 分子構造総合討論会講演要旨集, Formulation and applications of path integral centroid molecular dynamics method extended to Bose and Fermi statistics., 衣川健一; 長尾秀実; 太田浩二, 1999, 1999
- 分子シミュレーション討論会講演要旨集, 溶媒和電子の径路積分セントロイドMDシミュレーション, 衣川健一, 1998, 12th
- 少数多体系の化学 平成9年度報告書, Research on quantum dynamics simulation of low-temperature quantum cluster. ( Ministry of Education S ), 衣川健一, 1998
- 多自由度系としての原子集団及び原子のトンネル現象 平成8年度 第2回理論研究会(水戸)特集号 平成10年6月, Liquid dynamics of para-hydrogen cluster slab by the route integral centroid molecular dynamics simulation. ( Ministry of Education S )., 衣川健一, 1998
- 化学, Chemistry in 1998. Latest topics by chemists standing forefront. Existence of relationship between diffusion of particle in liquid and instantaneous vibration., 衣川健一, 1998, 53, 10
- 分子シミュレーション討論会講演要旨集, 径路積分セントロイド分子動力学計算による液体水素の集団運動の研究, 衣川健一, 1997, 11th
- 分子シミュレーション討論会講演要旨集, リチウム原子をドープしたパラ水素スラブの径路積分セントロイド分子動力学シミュレーション, 衣川健一; MOORE P B; KLEIN M L, 1997, 11th
- 物性研究, New development of solution chemistry by young member. On path integral centroid molecular dynamics method. Methodology and application of new real time simulation for quantum many-body system., 衣川健一, 1997, 68, 4
- 分子シミュレーション討論会講演要旨集, 径路積分セントロイド分子動力学法のリチウム-パラ水素クラスターへの応用, 衣川健一; MOORE P B; KLEIN M L, 1996, 10th
- 分子構造総合討論会講演要旨集, Equations of motion for the centroid path integral molecular dynamics and the simulation of lithium para-hydrogen clusters., 衣川健一; MOORE P B; KLEIN M L, 1996, 1996
- 統計数理研究所共同研究リポート, Consideration on dynamics of coulomb liquid and glass. ( the Ministry of Education, the Institute of statistical Mathematics S )., 衣川健一, 1995, 69
- 分子シミュレーション討論会講演要旨集, アモルファス塩化アルカリの構造と圧力誘起結晶化, 衣川健一, 1993, 7th
- 日本化学会講演予稿集, クーロン系ガラスのポテンシャル面上のイオンの動力学, 衣川健一; 角野広平; 田中博史, 1991, 62nd, 1
- ガラス討論会講演要旨集, Structural study on zinc halide-based glasses by neutron diffraction., 衣川健一; 岡崎進; 角野広平; 田中博史; 三沢正勝, 1990, 31st
- 化学, Chemistry in 1987. Computer experiments of aqueous solutions. Recent topics., 衣川健一; 中西浩一郎, 1987, 42, 5
- Not Refereed, ２０１７年度数学・物理学・情報科学の研究交流シンポジウム報告書, 径路積分セントロイド分子動力学シミュレーションによる量子多分子系の動的性質の探究, 衣川 健一; 奈良女子大学大学院人間文化研究科複合現象科学専攻, 2018, 13
- Two liquid states of distinguishable helium-4: the existence of another non-superfluid frozen by heating, Momoko Tsujimoto; Kenichi Kinugawa, We demonstrate that there can exist two liquid states in distinguishable helium-4 ($^4$He) obeying Boltzmann statistics. This is an indication of quantum liquid polyamorphism induced by nuclear quantum effect. For 0.08-3.3 K and 1-500 bar, we extensively conducted the isothermal-isobaric path integral centroid molecular dynamics simulations to explore not only possible states and state diagram but the state characteristics. The distinguishable $^4$He below 25 bar does not freeze down to 0.08 K even though it includes no Bosonic exchange effect and therefore no Bose condensation. One liquid state, low quantum-dispersion liquid (LQDL), is nearly identical to normal liquid He-I of real $^4$He. The other is high quantum-dispersion liquid (HQDL) consisting of atoms with longer quantum wavelength. This is another non-superfluid existing below 0.5 K or the temperatures of LQDL. The HQDL is also a low-entropy and fragile liquid to exhibit, unlike conventional liquids, rather gas-like relaxation of velocity autocorrelation function, while there the atoms diffuse without noticeable contribution from quantum tunneling. The LQDL-HQDL transition is not a thermodynamic phase transition but a continuous crossover accompanied by the change of the expansion factor of quantum wavelength. Freezing of HQDL into the low quantum-dispersion amorphous solid occurs by heating from 0.2 to 0.3 K at 40-50 bar, while this $P$-$T$ condition coincides with the Kim-Chan normal-supersolid phase boundary of real $^4$He. It is suggested that HQDL has relevance to the non-superfluid states of confined subnano-scale $^4$He systems which are semi-Boltzmann-like owing to the suppression of Bosonic correlation., 11 Apr. 2024
Presentations
- 辻本桃子; 衣川健一, 第３５回分子シミュレーション討論会, CMDシミュレーションによるBoltzmann統計下での 低温の液体ヘリウム4における量子液体ポリアモルフィズムの発見, Poster presentation, 29 Nov. 2021, 29 Nov. 2021, 01 Dec. 2021
- 衣川健一; 竹元亜由美, 第３５回分子シミュレーション討論会, 高圧のヘリウム４ガラスにおける量子ポリアモルフィズムと リエントラント的挙動, Poster presentation, 29 Nov. 2021, 29 Nov. 2021, 01 Dec. 2021
- Kenichi Kinugawa, The 14th Mini-Symposium on Liquids, Existence of quantum polyamorphism in compressed distinguishable helium-4, Invited oral presentation, 26 Jun. 2021, 26 Jun. 2021, 26 Jun. 2021
- 竹元亜由美; 衣川健一, 第12回分子科学討論会2018福岡, 超臨界ヘリウム４の静的・動的詳細状態と原子の量子性の及ぼす影響の経路積分分子動力学計算による解明, Poster presentation, 13 Sep. 2018, False
- 柏木悠里; 衣川 健一, 第12回分子科学討論会2018福岡, 多状態経験的原子価結合モデルに基づく プロトンを付加した低温の水クラスターの分子動力学計算, Poster presentation, 10 Sep. 2018, False
- 竹元亜由美; 衣川健一, 第３１回分子シミュレーション討論会, 経路積分CMD計算による超臨界流体ヘリウム４のWidom線と物性の解明, Poster presentation, Nov. 2017, False
- ２０１７年度数学・物理学・情報科学シンポジウム～理のクロスオーバー～, 径路積分セントロイド分子動力学シミュレーションによる量子多分子系の動的性質の探究, Invited oral presentation, 2017, False
- 佐藤直香; 衣川健一, 第１０回分子科学討論会, 経路積分分子動力学計算による氷Icの静的性質に対する量子効果の研究, Poster presentation, Sep. 2016, False
- The 69th Okazaki Conference, "New Frontier in Quantum Chemical Dynamics", Dynamics of condensed phase hydrogen explored by means of path integral centroid molecular dynamics simulations, 2010
- Momoko Tsujimoto; Kenichi Kinugawa, 2022 Autumn Meeting, The Physical Society of Japan, A path integral simulation of quantum polyamorphism of distinguishable liquid 4He and its dynamical properties, Poster presentation, 14 Sep. 2022, 12 Sep. 2022, 15 Sep. 2022
Research Projects
- Grant-in-Aid for Challenging Exploratory Research, 2011, 2012, 23654149, A study of path integral simulation on anomalous phases of ice induced by the quantum effect of hydrogen atom, KINUGAWA Kenichi, Japan Society for the Promotion of Science, Grants-in-Aid for Scientific Research, Nara Women's University, 2990000, 2300000, 690000, We have carried out the path integral molecular dynamics simulations of high-densitycubic ice where each atomic nucleus is quantized. Thequantum effect of atoms on the static properties has been revealed in this ice at low temperatures and high densities. It has been found that the quantum nature of atoms plays an essentialrole to maintain the ice lattice structure while the cubic ice structure is collapsed under compressed conditions to become a high density amorphous statewhich the simulationstarting from the ice configuration eventually reaches. We have found that there is non-zero distribution probability at which hydrogen atoms are located at the midpoints between two neighboring oxygen atoms., kaken
- Grant-in-Aid for Scientific Research (C), 2006, 2007, 18550018, Path integral simulation study of quantum dynamics of hydrogen doped inside carbon nanotubes, KINUGAWA Kenichi, Japan Society for the Promotion of Science, Grants-in-Aid for Scientific Research, Nara Women's University, 4110000, 3600000, 510000, The centroid path integral molecular dynamics (CMD) simulations have been carried out for the systems of para-hydrogen contained inside the carbon nanotubes. For these simulations the CMD source program for numerical calculations has newly been developed. We have employed the isothermal-isobaric ensemble molecular dynamics technique to keep the pressure tensor along the z-direction constant and the temperature arising from all the degrees of freedom constant as well. The Andersen-type isobaric technique and the Nose-Hoover chain-type isothermal technique have been employed for this purpose. As for molecular interaction, the Silvera-Goldman potential and the Lennard-Jones potential have been assumed to be valid for the hydrogen-hydrogen and the hydrogen-carbon interaction, respectively. For the latter interaction, the nanotube inner wall has been smoothed out over the whole spatial range so that the nanotube wall should have flat and uniform surface without identification of carbon atoms. The CMD simulations for this model have been performed at the condition that the number of hydrogen molecules is 312, the temperature is 8-15 K, and Trotter number is 100. The anisotropy of dynamics has been clarified on the basis of the analysis of the mean square displacement and the velocity autocorrelation function of imaginary time path integral centroids of hydrogen molecules. Furthermore, it has been found that the hydrogen inside the nanotube tends to have higher melting temperature than the bulk system. As a reference of the nanotube hydrogen system, the physical properties of bulk hydrogen revealed by means of the CMD simulations have been reviewed as well., kaken
- Grant-in-Aid for Scientific Research (C), 2002, 2003, 14540472, a priori path integral simulation on the dynamical properties and phenomena of low-temperature quantum molecular systems, KINUGAWA Kenichi, Japan Society for the Promotion of Science, Grants-in-Aid for Scientific Research, Nara Women's University, 3200000, 3200000, In the present series of studies, the static and dynamical properties of solid and liquid hydrogen have been non-empirically investigated by means of path integral centroid molecular dynamics (CMD) simulations. For solid para-hydrogen, we have obtained the phonon excitations with higher energies than those in previous experimental reports. Although the phonon dispersion in the high energy region in solid para-hydrogen has been definitely determined because of contradictory data reported from the experiments, our present study have thrown an insight into this outstanding controversy. The fundamental transport properties (self-diffusion coefficient, thermal conductivity, shear viscosity, and bulk viscosity) have been evaluated by using the CMD simulations. This work is the first attempt to numerically a priori estimate collective transport properties of any quantum liquids. In particular, the agreement of calculated self-diffusion coefficient and the shear viscosity with experimental values is excellent. On the other hand, the classical molecular dynamics simulations have yield the values much deviated from the experimental ones. This indicates that the essential features of the transport properties of liquid para-hydrogen comes from the quantum effect. The present series of studies are remarkable in that they have resolved the dynamical properties which cannot be revealed by any other computational techniques., kaken
- 特定領域研究(A), 2000, 2001, 12042257, ボーズ・フェルミ統計に従う多原子系の量子統計力学的ダイナミクス計算の研究, 衣川 健一, 日本学術振興会, 科学研究費助成事業, 奈良女子大学, 3600000, 3600000, 径路積分セントロイド分子動力学(CMD)法を用いれば、一定の熱力学条件下での多原子・分子系の実時間相関関数を近似的に計算できることはよく知られている。新たにCMD法をボーズおよびフェルミ統計に拡張することを試みている。さらに従来型のボルツマン統計に従うCMDシミュレーションを広汎に適用する研究も行っている。本年度は以下の成果が出た。 (A)研究代表者は液体パラ水素に対して定温・定圧のCMD計算を行ってきたが、今年度は液体オルト重水素の定温・定圧CMD計算を行い、その集団励起・集団運動を調べた。特に動的構造因子や非干渉性中間散乱関数を計算し、その特徴が古典極限でのMDの結果、あるいは昨年度までに行ってきた液体パラ水素の結果に比べてどのように異なるかを検討した。その結果、液体オルト重水素の集団励起は液体パラ水素に比べて減衰が強く、より古典極限での状況に近いことがわかった。重水素の質量が系水素より大きいことによるこの集団励起の差異は、液体水素における同位体効果・量子効果を表している。 (B)また、本年度は液体パラ水素と液体オルト重水素に対して、CMD計算で得られたセントロイドトラジェクトリーを基に、Green-Kubo公式のセントロイド近似を仮定した上で各種の輸送係数(熱伝導率、ずり粘性係数、体積粘性係数)の計算を行った。その結果、古典極限では実験値とオーダー自体もかなり違っていたが、CMD計算では劇的に正確さが上がることがわかった。 (C)液体パラ水素に対して40barまでの高圧条件でCMDを行い、そのような高圧下での集団励起の様相をObarの場合と比較した。その結果、高圧条件では集団励起のエネルギーはやや上昇することがわかった。 (D)CMDのボーズ・フェルミ統計への拡張について置換の効果を記述する擬ポテンシャルの形式について検討した。, kaken
- 奨励研究(A), 2000, 2001, 12740321, 経路積分セントロイド分子動力学計算による液体水素の集団的ダイナミクス現象の解明, 衣川 健一, 日本学術振興会, 科学研究費助成事業, 奈良女子大学, 2200000, 2200000, 本年度は以下の成果が出た。 研究代表者は液体パラ水素に対して定温・定圧のCMD計算を行ってきたが、今年度は液体オルト重水素のAndersen-Nose-Hoover-chain型の定温・定圧のCMD計算を行い、その集団励起・集団運動を調べた。速度自己相関関数の量子パワースペクトルと時空相関関数(動的構造因子)を計算し、系の集団励起モードの分散や減衰挙動を調べた。さらに非干渉性中間散乱関数を計算し、それら種々の関数の特徴が古典極限でのMDの結果、あるいは昨年度までに行ってきた液体パラ水素の結果に比べてどのように異なるかを検討した。その結果、液体オルト重水素の集団励起は液体パラ水素に比べて減衰が強く、より古典極限での状況に近いことがわかった。重水素の質量が系水素より大きいことによるこの集団励起の差異は、液体水素における同位体効果・量子効果を表している。 また、本年度は液体パラ水素と液体オルト重水素に対して、CMD計算で得られたセントロイドトラジェクトリーを基に、Green-Kubo公式のセントロイド近似を仮定した上で各種の輸送係数(熱伝導率、ずり粘性係数、体積粘性係数)の計算を行った。その結果、古典極限では実験値とオーダー自体もかなり違っていたが、CMD計算では劇的に正確さが上がることがわかった。 さらに、量子液体への計算科学の応用の可能性を広げる研究として、CMDのボーズ・フェルミ統計への拡張について置換の効果を記述する擬ポテンシヤルの形式について検討した。, kaken
- 特定領域研究(A), 1999, 1999, 11166245, ボーズ・フェルミ統計に従う多原子系の量子統計力学的ダイナミクス計算の研究, 衣川 健一, 日本学術振興会, 科学研究費助成事業, 奈良女子大学, 1600000, 1600000, ボーズ系・フェルミ系に対する経路積分セントロイド分子動力学(CMD)法を開発し、前者を理想ボーズ気体と液体ヘリウム4へ適用した。 Caoらの従来の「ボルツマン統計的」CMD法を「ボーズ系CMD」「フェルミ系CMD」に拡張し、それらの量子ダイナミクスを記述する半古典的運動方程式を提案した。この理論に基づいて、理想ボーズ気体とヘリウム4に対するボーズ系CMDシミュレーションを行った。ヘリウム4の場合は原子間相互作用にはAzizのポテンシャルを仮定した。セントロイドにかかる統計(経路積分)平均力の評価のために、離散化経路積分に基づく「ボーズ系径路積分分子動力学法」をモンテカルロ法の代わりに静的なサンプリング法として用い、ボーズ的粒子交換を含めすべてを分子動力学の枠組みで計算した。この際、ボーズ交換の効果を表す有効交換ポテンシャルを含む仮想的なハミルトニアンが定義された。 「ボーズ系CMD」シミュレーションのためのプログラムを開発した。シミュレーションは1.0K〜4.0Kの温度範囲でボーズ系のカノニカル・アンサンブルに対して行った。CMD法では本質的に、モンテカルロ・シミュレーションで計算される静的な諸量(熱力学量・平衡分布関数等)をも同時に計算することができるので、ヘリウム4に対してはそれらの結果を検討し、Ceperleyらの結果と比較検討した。内部エネルギー・比熱の温度に対する変化を観察してラムダ転移(比熱の発散)を確認した。理想ボーズ気体の場合、ボーズ凝縮状態で、ボソンのセントロイドの速度自己相関関数が統計的相関のために減衰するさまが観察された。これらの結果、ボソンの半古典ダイナミクスの計算法が初めて確立されたといえる。, kaken
- 奨励研究(A), 1997, 1998, 09740433, 経路積分セントロイド分子動力学計算による固体・液体水素の量子ダイナミクスの研究, 衣川 健一, 日本学術振興会, 科学研究費助成事業, 奈良女子大学, 2400000, 2400000, 固体水素系に対して適用される、径路積分セントロイド分子動力学(CMD)シミュレーションの運動方程式(定温定圧規準振動CMD法)、数値積分アルゴリズム、およびCMDシミュレーションのためのプログラムを開発した。この方法・ソフトウェアを用い、結晶のパラ水素に対する、定温定圧のCMDシミュレーションを行った。粒子数216個のhCP格子に村する計算で、Nose-Hoover chain型の定温法とAndersenの定圧法を組み合わせている。このシミュレーションによって相当時間にわたるセントロイドのトラジェクトリーを得、そのデータをもとに、セントロイドの速度自己相関関数のパワースペクトル(フォノン状態密度)の解析を行った。計算された振動スペクトルは実験のフォノン状態密度によく一致した。核の量は子化により零点振動によってセントロイドの感じる有効ポテンシャルが浅くソフト化することがわかった。量子化した系が古典系よりも融解しやすい理由はこの有効ポテンシャルの変化であることもわかった。また、量子化によってスペクトルが著しくレッド・シフトし、有効ポテンシャルのソフト化に対応していることがわかった。さらに、時空相関関数の一種である、実時間・逆空間に対する中間散乱関数(コヒーレント、インコヒーレント成分とも)を計算し、そのフーリエ変換から動的構造因子を各散乱ベクトルの方向に対して求めた。その結果、実験的なフォノンの分散関係に見られるような振動数の分散が観測された。, kaken
- 特定領域研究(A), 1997, 1998, 10120223, パラ水素固体中のトンネル現象の量子統計力学的ダイナミクスの研究, 衣川 健一, 日本学術振興会, 科学研究費助成事業, 奈良女子大学, 700000, 700000, 径路積分セントロイド分子動力学(CMD)法をボーズ・フェルミ系に拡張する一つの定式化を行った。従来のCMD法は、量子揺らぎの効果をセントロイド座標に関する有効セントロイドポテンシャルにマップし、そのポテンシャル面上でのセントロイドの半古典的分子動力学シミュレーションを行うというもであった。しかし、この従来のCMD法では、セントロイドは半古典変数でボルツマン統計に従う。低温の量子系では、景子揺らぎの効果に加えて、ボーズ・アインシュタイン統計、フェルミ・ディラク統計といった統計的な効果が重要であり、この効果をCMDにどのようにインストールするかという点は従来の懸案であった。われわれは、そのような統計的な効果を導入した半古典的な分子動力学法、すなわち、ボーズ・フェルミ系に拡張されたCMD法の定式化を完成させた(これを、ボーズCMD、フェルミCMD法と呼ぶ)。さらに、この定式化の過程で、径路積分モンテカルロ法の代替となる、スタティックなシミュレーション法としての径路積分分子動力学(PIMD)法をボーズ・フェルミ系に適用できるような拡張を開発した(ボーズPIMD、フェルミPIMD)。このボース・フェルミPIMD法は、ボーズ・フェルミ系の正準分配関数から積分変数としての置換演算子を見かけ上消去した、「擬ボルツマン型」の正準分配関数に基づき、分子動力学による配置のサンプリングを可能にしたもので、ボーズ・フェルミCMD計算の際しても有効セントロイドポテンシャル(力)の評価のために利用される。特に、フェルミPIMD法では、すべての置換を、「置換ポテンシャル」を通じて同時に計算するため、フェルミ系のモンテカルロ計算固有の「負符号問題」が生じない。 以上の新しい方法は、多自由度トンネル現象の解明に不可欠のものである。, kaken
- 重点領域研究, 1997, 1997, 09216215, 低温量子クラスターの量子ダイナミクス・シミュレーションの研究, 衣川 健一, 日本学術振興会, 科学研究費助成事業, 奈良女子大学, 1000000, 1000000, 径路積分セントロイド分子動力学(CMD)シミュレーションの運動方程式(定温規準振動CMD法)、数値積分アルゴリズム、およびCMDシミュレーションのためのプログラムを開発した。さらに、リチウム原子1個をドープしたパラ水素クラスター(パラ水素分子は13、55、180個)に対して、2.5Kおよび4.0KでCMDシミュレーションを行い、その構造と実時間ダイナミクスを調べた。CMDで計算されたセントロイドのトラジェクトリーをもとに、平均二乗変位、速度自己相関関数のパワースペクトルを解析した。その結果、2.5Kですでに、13個のクラスターは融解し、バルク液体と同様の分子拡散を呈していることがわかった。しかし、一般に古典極限での系はこれらの温度では融解しなかった。核の量子化により零点振動によってセントロイドの感じる有効ポテンシャルが浅くソフト化することがわかった。量子化した系が古典系よりも融解しやすい理由はこの有効ポテンシャルの変化であることもわかった。また、セントロイドの速度自己相関数関数のパワースペクトル(フォノンの状態密度)からは、量子化によってスペクトルが著しくレッド・シフトし、有効ポテンシャルのソフト化に対応していることがわかった。また、180個のクラスターでは表面融解が起こるものの、クラスター内部はこれらの温度では融解せずにコアが生成していて、このコアから生じるフォノンの振動数は、バルクの個体のパラ水素の典型的なフォノンの振動数の観測値に一致した。また、クラスターは一般にサイズが大きくなるほど融解しにくくなることや、リチウム原子はクラスターの表面に付着される傾向があることもわかった。, kaken
- 重点領域研究, 1997, 1997, 09226226, パラ水素固体中のトンネル現象の量子統計力学的ダイナミクスの研究, 衣川 健一, 日本学術振興会, 科学研究費助成事業, 奈良女子大学, 1100000, 1100000, 径路積分セントロイド分子動力学(CMD)シミュレーションの運動方程式(定温定圧CMD法)、数値積分アルゴリズム、およびそのCMDシミュレーションのためのプログラムを開発した。さらに、リチウム原子1個をドープしたパラ水素のクラスター(パラ水素の分子数は13、55、180個)とパラ水素スラブ(厚板)に対して2.5〜14.7Kの範囲でCMDシミュレーションを行い、分子の実時間ダイナミクスを調べた。クラスターの計算結果からは、2.5Kですでに、13個のクラスターは融解し、バルク液体と同様の分子拡散を呈していることがわかった。また、クラスターは一般にサイズが大きくなるほど融解しにくくなることや、リチウム原子はクラスターの表面に付着される傾向があることもわかった。また、セントロイドの速度自己相関関数のパワースペクトル(フォノンの状態密度)からは、量子化によってスペクトルが著しくレッド・シフトし、有効ポテンシャルのソフト化に対応していることがわかった。一方、スラブの計算では、はじめにhcp格子のab面を垂直方向に6層積み上げ、xy方向にのみ周期境界条件を課した配置を設定した。スラブの内部のいくつかの水素分子を除いた代わりにリチウム原子を1個ドープした。この欠陥の配置によってリチウム原子が表面に出てくる条件を調べた。その結果、そのためにはリチウム原子から表面に至る径路のパラ水素分子が予め取り除かれていること、さらにスラブ全体が融解していることが必要であることがわかった。さらに融解した層中では分子は2次元的拡散を呈していることも明らかとなった。また、リチウム原子がhcpの各層の三角格子を通過する際にその有効ポテンシャルの著しい低下、すなわちトンネルを伴うことを明らかにした。, kaken
- 重点領域研究, 1994, 1994, 06242216, 分子動力学法による有機分子結晶の構造・物性・反応の解析方法の研究, 北浦 和夫; 衣川 健一, 日本学術振興会, 科学研究費助成事業, 大阪府立大学, 2200000, 2200000, 分子動力学法で有機分子の結晶構造を計算するためには、複雑な分子間相互作用を精度よく表現するポテンシャル関数が必要である。この目的のためには、レナード・ジョーンズ型ポテンシャル関数のような、従来からよく用いられている関数では限界があるため、我々は量子論効果を近似的に考慮した精度の高い新しいポテンシャル関数の研究を行ってきた。本研究では、メタン、エタン、ベンゼンなどの基本的な有機分子について、ポテンシャルパラメーターを非経験的分子軌道計算から得られる分子間相互作用エネルギーにフィットする一般的な手順を研究し、これを適用して先の分子のポテンシャル関数を実際に作成した。一方、格子エネルギー最適化法のプログラムを作成し、これらの分子の結晶構造を計算した。これにより、我々のポテンシャル関数はおおむね結晶構造を再現できることが分かった。本研究の成果は分子性結晶の計算予測および解析の研究に展望を与えるものである。, kaken