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密度フィッティング (Density Fitting, RI近似):DFT計算の高速化アルゴリズム
純粋なDFT汎関数における計算コストの支配項である「クーロン積分」を、補助基底関数を用いた密度フィッティング(Resolution of Identity)により高速化する手法。4中心積分を3中心積分に低減する数学的トリックと、Gaussianにおけるキーワード『Auto』の意味、および適用時の注意点について記述する。
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5 minutes
二つのカスプ条件と基底関数の収束性:Tosio Katoの定理と明示的相関法
波動関数の特異点に関する加藤のカスプ条件(Tosio Kato, 1957)の厳密な定義。STOが形式的に満たす「原子核カスプ」と、標準的な軌道積展開では記述困難な「電子間クーロンカスプ」の違いについて。GTOの限界と、それを克服するための明示的相関法(R12/F12)や基底関数収束性(Kutzelnigg, Helgaker)の理論的背景を整理する。
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6 minutes
Lennard-Jonesクラスターの最適化手法:モンテカルロ法からBlock Basin Hoppingへの展開
原子クラスターの構造最適化問題、特にLennard-Jones (LJ) ポテンシャルにおける基底状態探索は、計算物理学において多自由度系の探索性能を測るベンチマークとして扱われる。本稿では、確率的な探索手法であるモンテカルロ法を出発点とし、エネルギー地形の粗視化を行うBasin Hopping法、さらにその概念を局所的な部分空間へ適用するアプローチ(本稿ではBlock Basin Hoppingと呼称する)へと至るアルゴリズムの改良プロセスについて、その論理的背景を概説する。
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16 minutes
相対論的量子化学:スカラー効果、スピン軌道相互作用、およびECP
シュレーディンガー方程式が前提とする「光速無限大」の近似が破綻する領域についての定義。内殻電子の相対論的質量増大がもたらす軌道収縮(スカラー効果)と、スピンと軌道角運動量の結合(SOC)による縮退の解け、およびそれらを実用的に扱うための擬ポテンシャル(ECP)や全電子ハミルトニアン(DKH, ZORA)について記述する。
1167 words
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6 minutes
スピンの取り扱い:制限法 (RHF) と非制限法 (UHF) の定義と弊害
分子軌道法における空間軌道の制約に関する二つのアプローチ。閉殻系に適した制限法 (Restricted) と、開殻系や解離極限記述に必要な非制限法 (Unrestricted) の数学的定義、スピン汚染 (Spin Contamination) の問題、および第三の選択肢であるROHFについて記述する。
1167 words
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6 minutes
基底関数の数学的選択:STOの物理的正確性とGTOの積分容易性
水素様原子の厳密解に近いスレーター型軌道 (STO) が、なぜ現代の計算化学ではガウス型軌道 (GTO) に置き換えられたのか。原子核近傍のカスプ条件と遠方の減衰挙動における物理的差異、および多中心積分を解析的に解くための「ガウス関数の積の定理」による計算コストの革命的削減について記述する。
1086 words
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5 minutes
原子単位系 (Hartree Atomic Units):定義、物理的意義、および換算係数
量子化学計算において標準的に使用される単位系であるHartree原子単位系の厳密な定義。SI単位系における物理定数を1とおくことによるハミルトニアンの無次元化と、主要な物理量(エネルギー、長さ、時間、双極子モーメント等)の換算係数を網羅する。
974 words
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5 minutes
密度汎関数理論 (DFT) の階層構造:ヤコブの梯子と自己相互作用誤差
波動関数理論とは異なる進化系統を持つDFTにおける精度の階梯(ヤコブの梯子)を定義する。LDAからDouble Hybridに至る近似の深化と、DFT固有の欠陥である自己相互作用誤差(SIE)のメカニズムについて記述する。
885 words
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4 minutes