I. 計算物質科学
I-1. ナノ・サイエンス
原子１個のサイズは約 0.1 ナノメートルです。従って数ナノメートルサイズの物質、構造体は一万から十万程度の原子から構成されています。一方、電子のド・ブローイ波長（量子性を表す長さのスケール）は、場合によりますが、ナノメートルの程度です。従って、ナノ構造、ナノの形状の違いにより、電子の波の振る舞いを制御し、バルク物質では隠されていた、新しい電子物性を引き出すことが可能になります。ナノテクノロジーの基礎を形作るためにも、またナノ世界の新しい科学を明らかにするためにも、ナノ形状の量子論が必要とされています。
当研究室では、炭素ナノ物質に代表される軽元素ナノ物質の物性解明と新機能予測、半導体ナノ構造の新しい物性発現の解明を、量子論に立脚した理論計算によって行っています。
I-2. 不完全性の科学
完全な結晶はこの世に存在しません。物質は何らかの不完全性を有しています。その不完全性は数的にはマイノリティですが、その物質の機械的、電子的、光学的等の性質に大きな影響を及ぼします。そしてその不完全性は、完全結晶を仮定して展開されてきた物性物理学に、新たな要素と新現象への期待を付加します。
例えば、我々の生活を支えている半導体テクノロジーは、半導体のみならず、絶縁体、金属などあらゆる材料を舞台とした、電子の振舞いを利用しています。そうした電子の振舞いは量子論で記述され、実際20世紀後半の半導体テクノロジーの発展を基礎的側面から支えたのは、固体の量子論であり物性物理学でした。そうした半導体材料の不完全性（原子空孔、格子間原子などの点欠陥、転位などの線欠陥、積層欠陥などの面欠陥）は、半導体デバイスの特性を左右するので、その微視的同定と不完全性の除去は、半導体テクノロジーにおける中心的研究テーマでした。
不完全性の修復は、勿論いまでも重要な問題ですが、別の考え方もできます。つまり物質には、不完全性が必然的に存在するものならば（実際そうです）、それを利用する、不完全性に役だってもらう可能性が浮上します。つまり、構造的不完全性が、電子物性にどのような影響を及ぼすのかを量子論に立脚して明らかにし、その不完全性を利用することが可能です。
我々は、材料中に必ず存在する不完全性（欠陥、不純物）が材料の物性にどのような影響をもたらし、またどのような新現象が期待できるのか、また構造生成の重要因子である原子移動（拡散）が材料中でどのように生じるのか、などの物質科学の最も重要な問題に、量子論的計算科学の手法でチャレンジしています。そして、不完全性が引き起こす新しい物理と化学を明らかにしたいと考えています。
I-3. 表面・界面の科学
表面は物質と真空との境界です。界面とは２種類の異なる物質の間の境界です。境界はそれが囲む内側とは異なる様相を示します。内側の世界の常識が境界でも通用するとは限りません。その意味で、表面・界面は難しいターゲットであると同時に、豊かな可能性を秘めています。新しい物質の形態（物質相）が期待できます。
また、表面は物質が形成されていく舞台でもあります。物質が形成されていく、すなわち結晶が成長していくのは、間違いなくその物質との境界、すなわち表面です。表面・界面科学はその意味でも重要です。また触媒反応は触媒物質表面が反応の舞台を提供していることで、反応を促進しています。
すべてのテクノロジーは、それを支える物質がなければ成り立ちません。物質形成の舞台を扱う表面・界面科学の重要性はこうしたテクノロジーの観点からも裏打ちされます。
当研究室では、半導体表面および異種物質との界面での新物性・新機能の探索、物質形成・構造形成における表面・界面での原子反応機構解明、を量子論に立脚した理論計算によって行っています。
I-4. 新物質・新構造の探索
理論計算に基づく魅力ある物質の探索は、物質科学計算のひとつの大きな目標でしょう。そのためには、量子論に基づく精度の高い予言能力を有する計算手法が必要ですし、理論手法の不断の改善・革新が必要です。
密度汎関数理論の局所密度近似（LDA）、一般化密度勾配近似（GGA）は、限界はあるとはいえ、物質の構造的性質の予言能力は高いものがあります。電子励起エネルギー（バンドギャップ）については過小評価することが知られていますが、それは多体摂動論に基づくGW近似（GWA）で改善することが知られています。我々はこのLDAとGWAを用いて、シリコンとゲルマニウムに対して新しい物質相を予言しました[New Journal of Physics: 10, 083001 (2008)] 。
図が、その新しく見つかった体心正方格子相です。ダイヤモンド構造と同様に、各原子は４個の最近接原子と結合していますが、結合の角度がダイヤモンド構造での角度とは異なります。その結果やや密度が低い体心正方格子相が形成されています。エネルギー的には、最安定のダイヤモンド構造に比べて、原子当り約0.1 eV 高いだけであり、十分自然界に存在し得ると考えられます。
体心正方格子の原子構造(左）とGeに対するエネルギー帯構造(右）。
右図では、横軸が波数kであり、線がLDA、ドットがGWAによる結果。
興味深いのはそのエネルギー帯構造です。ダイヤモンド構造に比べて著しく異なっており、バンドギャップは顕著に狭くなっています。とくに体心正方ゲルマニウムでは、ほとんどギャップが消失しており、半金属になる可能性もあります。四配位の共有結合物質は通常半導体なので、金属化しているとするならば、それは大きな新発見です。
