Nuclear quantum effect on the elasticity of ice VII under pressure; A Path-integral molecular dynamics study

圧力下での氷の弾性に対する核量子効果VII; 経路積分分子動力学による研究

土屋 旬*; 志賀 基之   ; 常行 真司*; Thompson, E. C.*

Tsuchiya, Jun*; Shiga, Motoyuki; Tsuneyuki, Shinji*; Thompson, E. C.*

第一原理経路積分分子動力学計算を用いて、水素原子の核量子効果が高圧・常温条件下での氷VIIの弾性に及ぼす影響を調べた。その結果、40GPa以上の圧力において、氷VIIの静的無秩序構造から動的無秩序構造への転移に対して核量子効果が寄与していることがわかった。この転移は弾性定数の不連続な増加によって特徴づけられる。第一原理分子動力学計算と第一原理経路積分分子動力学計算の比較から、核量子効果によって70GPa, 300Kにおける氷の弾性定数が約20%増加することが明らかになった。

We investigate the effect of nuclear quantum effects (NQEs) of hydrogen atoms on the elasticity of ice VII at high pressure and ambient temperature conditions using ab initio path-integral molecular dynamics (PIMD) calculations. We find that the NQEs of hydrogen contributes to the transition of ice VII from a static disordered structure to a dynamically disordered structure at pressures exceeding 40 GPa. This transition is marked by a discontinuous increase of the elastic constants. Comparison of molecular dynamics and PIMD calculations reveal that NQEs increase the elastic constants of ice by about 20% at 70 GPa and 300 K.