Path integral simulations

経路積分シミュレーション

志賀 基之   

Shiga, Motoyuki

原子核の量子効果は水素などの軽元素を含む分子系において重要である。例えば、水素結合系における大きな零点振動およびプロトントンネリングは核量子効果に由来する。本レビュー論文では、虚時間の経路積分理論に基づいて核量子効果を考慮した経路積分分子動力学法について説明する。この方法では、複雑分子系の量子揺らぎにおいて数値的厳密解が得られる。また、その拡張であるセントロイドおよびリングポリマー分子動力学法は近似的量子動力学法である。第一原理電子状態計算と組み合わせることで、多電子・原子核系全体の量子シミュレーションが可能になる。

Nuclear quantum effects are important in molecular systems containing light elements such as hydrogen. For example large zero vibration and proton tunneling in hydrogen bonded systems originate from nuclear quantum effects. We herein describe path integral molecular dynamics (PIMD) where nuclear quantum effects are taken into account based on imaginary time path integral theory. PIMD provides numerically exact solutions for quantum statistics of complex molecular systems in thermal equilibrium. Centroid and ring polymer molecular dynamics are extensions to provide approximate quantum dynamics. Combination with ab initio electronic structure calculations enables simulation of the whole entity of many-electron many-nuclei systems.