JP2006277582A - Molecular orbital method calculation method and calculation device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、分子シミュレーション計算に関し、特に、第一原理分子軌道法の計算アルゴリズムを用いる計算方法及び計算装置に関する。 The present invention relates to a molecular simulation calculation, and more particularly to a calculation method and a calculation apparatus using a calculation algorithm of a first principle molecular orbital method.
現在の量子化学分野に対する社会からの強い要請として、
(1)生体酵素の化学反応の機構解明、
(2)分子機能性材料の先験的設計、
の2点が挙げられよう。これらはともに分子内・分子間での電子間相互作用がその機能性と密接に関連しているため、その機能解析や分子設計のためには電子相関を考慮した第一原理電子状態計算が必要となる。機能性の定性的評価には、HOMO(最高被占軌道;highest occupied molecular orbital)、LUMO(最低空軌道;lowest unoccupied molecular orbital)近傍の電子相関(すなわち静的電子相関(non-dynamical correlation))を考慮すればよいが、先験的分子設計のためには定量的な数値評価も行わなければならないので、内殻軌道から高い軌道エネルギーを有する仮想軌道への励起など、動的電子相関(dynamical correlation)も同時に考慮する高精度計算を行う必要がある。
As a strong demand from society for the current quantum chemistry field,
(1) Elucidation of the chemical reaction mechanism of biological enzymes,
(2) a priori design of molecular functional materials,
The following two points may be mentioned. In both cases, intra- and inter-electron interactions are closely related to their functionality, so first-principles electronic state calculations that take into account electronic correlation are required for functional analysis and molecular design. It becomes. Qualitative evaluation of functionality includes HOMO (highest occupied molecular orbital), LUMO (lowest unoccupied molecular orbital) electronic correlation (ie, non-dynamical correlation) However, since quantitative numerical evaluation must be performed for a priori molecular design, dynamical electron correlation (dynamical excitation such as excitation from inner orbitals to virtual orbitals with high orbital energy) It is necessary to perform high-accuracy calculation that also considers correlation).
図1は、静的電子相関、動的電子相関を概念的に示したものである。分子軌道には、図示するように、軌道エネルギーが低い方から、原子核に対して強く束縛されている内殻軌道、分子の活性等に直接関与していると考えられているHOMOやLUMOなどの活性軌道、そして、高い軌道エネルギーを有する仮想軌道がある。そして、静的電子相関は、図示白矢印で示すように、活性軌道内あるいはその近傍での電子遷移などの現象を表している。これに対して、動的電子相関は、図示黒矢印で示すように、内殻軌道からLUMOへの遷移、HOMOから仮想軌道への遷移、さらには内殻軌道から仮想軌道への遷移などの現象を表している。 FIG. 1 conceptually shows static electron correlation and dynamic electron correlation. As shown in the figure, the molecular orbitals have lower orbital energies, such as inner core orbitals that are strongly bound to nuclei, HOMO and LUMO, which are considered to be directly involved in the activity of molecules, etc. There are active orbits and virtual orbits with high orbital energy. The static electron correlation represents a phenomenon such as electron transition in or near the active orbit, as indicated by a white arrow in the figure. On the other hand, dynamic electron correlation is a phenomenon such as transition from inner shell orbit to LUMO, transition from HOMO to virtual orbit, and transition from inner orbit to virtual orbit as shown by the black arrow in the figure. Represents.
これら静的電子相関と動的電子相関とを低コストでバランスよくカバーでき、あらゆる物理量を精度よく計算可能な第一原理分子軌道法の開発が望まれている。 It is desired to develop a first-principles molecular orbital method that can cover these static electron correlations and dynamic electron correlations at a low cost in a well-balanced manner and can calculate all physical quantities with high accuracy.
従来、汎用的に用いられる第一原理分子軌道計算手法は、大きく、
(1)波動関数理論(WFT;wave function theory)と、
(2)密度汎関数理論(DFT;density functional theory)
との2つに分けることができる。
Conventionally, the first-principles molecular orbital calculation method used for general purposes is large,
(1) Wave function theory (WFT),
(2) Density functional theory (DFT)
It can be divided into two.
このうち波動関数理論は、波動関数展開で電子相関をカバーする方法であり、CI(configuration Interaction;配置間相互作用)法、MCSCF(multiconfiguratin self-consistent-field;多配置自己無撞着場)法、CC(coupled-cluster)法、MP(Moller-Pleset)法などがこれに属する。波動関数理論では、一般に展開項の数が多くなればなるほど電子相関の記述に関して高精度となるが、同時に、計算コストの膨大となる。そのため、波動関数理論の枠組みの中で、さまざまな工夫がなされている。特に、CI法とMCSCF法において原子価軌道(フェルミ準位)近傍の活性軌道に限定して全ての展開を取った方法、すなわちCAS(complete-active-space)CI法及びCASSCF法は、波動関数理論としては計算コストが比較的低いものでありながら静的電子相関をほぼ完全にカバーできる方法として、1つの標準理論となっている。CASCI法とCASSCF法とをまとめてCAS法と呼んでいる。 Among them, wave function theory is a method of covering electron correlation by wave function expansion, CI (configuration Interaction) method, MCSCF (multiconfiguratin self-consistent-field) method, The CC (coupled-cluster) method, the MP (Moller-Pleset) method, and the like belong to this. In the wave function theory, generally, as the number of expansion terms increases, the accuracy of the description of the electron correlation becomes higher, but at the same time, the calculation cost becomes enormous. Therefore, various ideas have been made within the framework of wave function theory. In particular, in the CI method and the MCSCF method, a method in which all expansions are taken by limiting to the active orbit near the valence orbit (Fermi level), that is, the CAS (complete-active-space) CI method and the CASSCF method are wave functions. As a theory, it is one standard theory as a method capable of almost completely covering static electron correlation while having a relatively low calculation cost. The CASCI method and CASSCF method are collectively referred to as CAS method.
波動関数理論での動的電子相関の計算には、高いエネルギー準位を有する仮想軌道までの励起と高次の波動関数展開が必要であり、この目的のために、CASCI/CASSCF法で得た波動関数を参照関数として、CIもしくはMP演算を行うMR(多配置参照)CI法やMRMP法が開発されている。MRCI法やMRMP法は、静的電子相関のみならず動的電子相関も精度よく計算でき、動的電子相関の計算においてはエネルギー以外の物理量についても求めることができる、という特徴を有する。しかしながらMRCI法やMRMP法では、計算に際して大量の項数を用い、電子数Nの5乗に比例する計算量を必要とするため、これらの方法の計算コストは膨大であり、適用範囲も小分子に限られている。MRCI法やMRMP法を生体酵素や分子機能性材料についての計算に適用することは望むべくもない。計算コストも考慮に入れるなら、波動関数理論は、動的電子相関の記述を不得手にしている、と言える。 The calculation of dynamic electron correlation in wave function theory requires excitation to a virtual orbit with a high energy level and higher-order wave function expansion, and for this purpose, it was obtained by CASCI / CASSCF method. MR (multiple arrangement reference) CI methods and MRMP methods have been developed that perform CI or MP operations using a wave function as a reference function. The MRCI method and the MRMP method have a feature that not only static electron correlation but also dynamic electron correlation can be calculated with high accuracy, and physical quantities other than energy can be obtained in the calculation of dynamic electron correlation. However, since the MRCI method and the MRMP method use a large number of terms for calculation and require a calculation amount proportional to the fifth power of the number of electrons N, the calculation cost of these methods is enormous, and the application range is also a small molecule. It is limited to. It cannot be desired to apply the MRCI method or the MRMP method to calculations for biological enzymes or molecular functional materials. If the calculation cost is taken into account, it can be said that the wave function theory is not good at describing dynamic electron correlation.
一方、密度汎関数理論は、元来、エネルギーが一意に密度の汎関数として与えられるということと、その汎関数につき変分原理が成立しているというホーヘンバーグ−コーン(Hohenberg-Kohn)の定理に因っている。一般によく用いられているKS−DFT法は、DFTの1つの可能な理論形式であり、その要となる点は、
(1)密度が単一スレーター(Slater)行列式の密度で与えられること、
(2)そのスレーター行列式を構成する一電子軌道(コーン−シャム(Kohn-Sham)軌道と呼ぶ)が電子相関(交換相関項)の効果を反映した有効場(交換相関ポテンシャル)のもとの一電子問題、Kohn-Sham方程式の解になっている、
の2点である。ここでNを偶数としてN個の電子を考えると、Kohn-Sham軌道では、エネルギーが低い方の軌道から2つずつの電子で占有されことによって、N/2個の軌道が占有されており、それ以上の軌道エネルギーを有する軌道は、非占有軌道となっている。これは、波動関数理論で言えば、電子相関を考慮しない手法であるHartree-Fock(HF;ハートリー−フォック)近似に該当する。しかしながら、KS−DFT法は、有効場(交換相関ポテンシャル)を通して電子相関の効果を反映しており、いわば波動関数展開なしで電子相関を考慮できる、低コスト高パフォーマンスの電子状態理論である。
On the other hand, density functional theory is originally based on the Hohenberg-Kohn theorem that energy is given uniquely as a density functional and that the variational principle holds for that functional. It depends. The commonly used KS-DFT method is one possible theoretical form of DFT.
(1) The density is given by the density of a single Slater determinant,
(2) One electron orbit (called the Kohn-Sham orbit) composing the Slater determinant is based on the effective field (exchange correlation potential) reflecting the effect of electron correlation (exchange correlation term). One-electron problem, the solution of the Kohn-Sham equation,
These are two points. Considering N electrons with N as an even number, in the Kohn-Sham orbit, N / 2 orbitals are occupied by two electrons from the lower energy orbit, Tracks with more orbital energy are unoccupied tracks. In wave function theory, this corresponds to Hartree-Fock (HF) approximation, which is a technique that does not consider electron correlation. However, the KS-DFT method reflects the effect of electronic correlation through an effective field (exchange correlation potential), and is a low-cost, high-performance electronic state theory that can consider electronic correlation without wave function expansion.
KS−DFT法での電子相関の取り込みは、局所的な密度(と密度勾配)の汎関数として電子相関項(交換相関項)を記述するという方法であるため、高い軌道角運動量の基底関数や高次の波動関数展開あるいは高次摂動展開を必要とすることなく、動的電子相関の短距離相互作用をシュミレーションすることが可能である。しかしながらKS−DFT法では、密度の探索範囲を単一スレーター行列式の密度の集合に限定しているため、
(i)原子の多重項状態、
(ii)分子のジラジカル型の解離(ホモリシスなど)、
(iii)希薄磁性合金の近藤効果
などが記述できないことが指摘されている。これら(i)〜(iii)は、いずれも、CAS法では記述できるものであって、静的電子相関の典型例である。すなわち、KS−DFT法は、静的電子相関の記述を不得手としている。
Incorporation of electron correlation in the KS-DFT method is a method of describing an electron correlation term (exchange correlation term) as a functional of local density (and density gradient). It is possible to simulate the short-range interaction of dynamic electron correlation without requiring higher-order wave function expansion or higher-order perturbation expansion. However, in the KS-DFT method, the density search range is limited to a set of densities of a single slater determinant,
(i) Atomic multiplet state,
(ii) molecular diradical dissociation (eg, homolysis),
(iii) It has been pointed out that the Kondo effect of dilute magnetic alloys cannot be described. These (i) to (iii) can be described by the CAS method, and are typical examples of static electron correlation. That is, the KS-DFT method is not good at describing static electron correlation.
以上のように、CAS法は、静的電子相関をほぼ完全に取り込むが動的電子相関を不得手とし、KS−DFT法は、動的電子相関はよくカバーするが静的電子相関を不得手とする。このようなこれら2つの方法の特徴から、この2つの方法を組み合わせた方法(以下では、「CAS演算+DFT補正法」と呼ぶ)が考案されている。この方法は、CAS法で得たCAS波動関数に対し、DFTに基づくエネルギー補正値を加算する、という方法であり、CAS法の演算、DFT補正のそれぞれの段階で、静的電子相関、動的電子相関が各々エネルギーに反映される。なおかつこの方法は、MRCI法やMRMP法とは異なり、計算量がCAS法の波動関数展開の項数でほぼ決まるので、計算コストを比較的小さくすることができる。CAS演算+DFT補正法における課題として、電子相関のダブルカウンティングすなわち電子相関を二重に考慮してしまう、というものがある。これに対しては、
(1)軌道エネルギーをk空間にマップしDFT補正のための有効密度を定義することで、CAS法でカバーされているもの以外の相関エネルギーを過不足なく計算する方法、
あるいは、
(2)ハミルトニアンの2電子間のクーロン項を誤差関数を用いて静的電子相関への寄与と動的電子相関への寄与とに分け、前者をCAS法(より一般的には波動関数理論)で、後者をDFTの相関エネルギー項でカバーする方法
を用いることで、ダブルカウントを取り除くことが提案されている。この提案された方法は、分子系への応用において一定の成功をおさめている。
As described above, the CAS method captures the static electron correlation almost completely but is not good at the dynamic electron correlation. The KS-DFT method covers the dynamic electron correlation well but is not good at the static electron correlation. And From the characteristics of these two methods, a method combining these two methods (hereinafter referred to as “CAS calculation + DFT correction method”) has been devised. This method is a method in which an energy correction value based on DFT is added to a CAS wave function obtained by the CAS method. At each stage of calculation of the CAS method and DFT correction, static electron correlation, dynamic Each electron correlation is reflected in energy. In addition, unlike the MRCI method and the MRMP method, the calculation amount is almost determined by the number of terms of the wave function expansion of the CAS method, so that the calculation cost can be made relatively small. A problem in the CAS calculation + DFT correction method is that double counting of electronic correlation, that is, electronic correlation is considered twice. For this,
(1) By calculating the orbital energy in k-space and defining the effective density for DFT correction, the correlation energy other than that covered by the CAS method can be calculated without excess or deficiency,
Or
(2) Coulomb term between two electrons of Hamiltonian is divided into contribution to static electron correlation and contribution to dynamic electron correlation using error function, and the former is CAS method (more generally wave function theory) Thus, it is proposed to remove the double count by using the method of covering the latter with the DFT correlation energy term. This proposed method has had some success in molecular system applications.
しかしながらこの既存のCAS演算+DFT補正法では、エネルギーに対してのみDFT補正を行っているので、解(波動関数)として得られるのは、DFT補正を行っていないCAS波動関数である。これは、エネルギー以外の物理量には、動的電子相関の効果は入っていないことを意味する。したがって、CAS演算+DFT補正法は、例えば、分子の双極子モーメントや構造といった、エネルギー以外の物理量については正しい結果を与えない。 However, in this existing CAS calculation + DFT correction method, since DFT correction is performed only on energy, a CAS wave function not subjected to DFT correction is obtained as a solution (wave function). This means that the physical quantity other than energy has no dynamic electron correlation effect. Therefore, the CAS operation + DFT correction method does not give a correct result for a physical quantity other than energy, such as a dipole moment or structure of a molecule.
上述したように、計算コストが安く、かつ静的電子相関及び動的電子相関の双方を正確にカバーできるような計算手法は知られていないのが現状である。背景技術の欄で述べたようにCASで静的電子相関を、DFTで動的電子相関をカバーする、という方法を踏襲するならば、解決すべき課題は、CAS演算+DFT補正法に代わり、動的電子相関がエネルギー以外の物理量にも反映されような理論形式を得ることである。 As described above, there is currently no known calculation method that is low in calculation cost and can accurately cover both static electron correlation and dynamic electron correlation. If we follow the method of covering static electron correlation with CAS and dynamic electron correlation with DFT, as described in the background section, the problem to be solved is to replace the CAS calculation + DFT correction method with the dynamic calculation. It is to obtain a theoretical form in which dynamic electron correlation is reflected in physical quantities other than energy.
そこで本発明の目的は、計算コストが安く、大規模分子にも適用可能であって、かつ静的電子相関及び動的電子相関の双方を正確にカバーできるような計算方法及び計算装置を提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to provide a calculation method and a calculation apparatus that are low in calculation cost, can be applied to large-scale molecules, and can accurately cover both static electron correlation and dynamic electron correlation. There is.
上記の目的のため、本発明者は、密度汎関数理論(DFT)に基づく新たなアプローチを提案し、そのようなアプローチとしてCAS−DFT法を定式化し、本発明を完成させ
た。
For the above purpose, the present inventor proposed a new approach based on density functional theory (DFT), formulated the CAS-DFT method as such an approach, and completed the present invention.
詳細については後述するが、本発明者らの提案するCAS−DFT法は、CAS法で得られる波動関数に動的電子相関を正しく取り入れるようにする方法である。このCAS−DFT法による第一原理分子軌道法の計算アルゴリズムは、密度汎関数理論(DFT)による有効場のもと、自己無撞着場(SCF)CASCI法の演算を反復法を用いて解くものである。言い換えれば本発明による手法は、CAS波動関数を参照系とするDFTという新たな電子状態理論手法である。 Although details will be described later, the CAS-DFT method proposed by the present inventors is a method for correctly incorporating dynamic electronic correlation into a wave function obtained by the CAS method. The first-principles molecular orbital calculation algorithm using the CAS-DFT method solves the operation of the self-consistent field (SCF) CASCI method using an iterative method based on an effective field based on density functional theory (DFT). It is. In other words, the method according to the present invention is a new electronic state theory method called DFT using a CAS wave function as a reference system.
したがって本発明の分子軌道法の計算方法は、分子構造及び電子数を入力する入力段階と、入力された分子構造及び電子数に基づいて、初期値として用いるエネルギー及び密度行列を得る初期値計算段階と、密度行列から有効ポテンシャルを算出するポテンシャル計算段階と、有効ポテンシャルに基づいて有効CASCI方程式を解き、エネルギー及び密度行列を得るCASCI計算段階と、前回求めたエネルギー及び密度行列と今回求めたエネルギー及び密度行列とを比較して収束を判定する判定段階と、を有し、判定段階で未収束と判定された場合には、今回求めたエネルギー及び密度行列を用いてポテンシャル計算段階、CASCI計算段階及び判定段階を反復して実行し、判定段階で収束と判定された場合には、計算を終了する。 Therefore, the molecular orbital calculation method of the present invention includes an input stage for inputting a molecular structure and the number of electrons, and an initial value calculation stage for obtaining an energy and density matrix used as initial values based on the inputted molecular structure and the number of electrons. A potential calculation stage for calculating an effective potential from the density matrix, a CASCI calculation stage for solving an effective CASCI equation based on the effective potential to obtain an energy and density matrix, an energy and density matrix obtained last time, and an energy obtained this time A determination stage for comparing the density matrix to determine convergence, and when it is determined that the convergence has not been achieved in the determination stage, the potential calculation stage, CASCI calculation stage, and The determination step is repeatedly executed, and if it is determined that the convergence is made in the determination step, the calculation is terminated.
本発明の分子軌道法の計算装置は、分子構造及び電子数を入力する入力部と、入力された分子構造及び電子数に基づいて、初期値として用いるエネルギー及び密度行列を得る初期値計算部と、密度行列から有効ポテンシャルを算出するポテンシャル計算部と、有効ポテンシャルに基づいて有効CASCI方程式を解き、エネルギー及び密度行列を得るCASCI計算部と、前回求めたエネルギー及び密度行列と今回求めたエネルギー及び密度行列とを比較して収束を判定する判定部と、判定部で未収束と判定された場合には、今回求めたエネルギー及び密度行列を用いてポテンシャル計算部及びCASCI計算部に計算を反復させ、判定部で収束と判定された場合には、計算を終了させる制御部と、を有する。 The molecular orbital calculation apparatus of the present invention includes an input unit for inputting a molecular structure and the number of electrons, an initial value calculation unit for obtaining an energy and density matrix used as initial values based on the input molecular structure and the number of electrons, and A potential calculation unit for calculating an effective potential from the density matrix, a CASCI calculation unit for solving an effective CASCI equation based on the effective potential to obtain an energy and density matrix, an energy and density matrix obtained last time, and an energy and density obtained this time If the determination unit determines the convergence by comparing the matrix and the determination unit determines that the convergence is not converged, the potential calculation unit and the CASCI calculation unit repeat the calculation using the energy and density matrix obtained this time, A control unit that terminates the calculation when it is determined that the determination unit has converged.
本発明によれば、CAS法で得られる波動関数に動的電子相関を正しく取り入れられるので、静的電子相関及び動的電子相関を正しくカバーすることができ、例えば、エネルギー以外の物理量についても動的電子相関を正確に評価することが可能となり、各種分子における構造や双極子モーメントを正しく求めることができるようになる。また、計算コストとしては従来のCAS法と同程度であって、本発明の方法は、大規模分子にも適用可能である。 According to the present invention, the dynamic electron correlation can be correctly taken into the wave function obtained by the CAS method, so that the static electron correlation and the dynamic electron correlation can be correctly covered. It is possible to accurately evaluate the dynamic electron correlation, and to correctly determine the structure and dipole moment in various molecules. Further, the calculation cost is almost the same as that of the conventional CAS method, and the method of the present invention can be applied to a large-scale molecule.
本発明の手法と既存の第一原理分子軌道計算手法の計算コストと計算精度について、4段階(◎、○、△、×)で評価してまとめたものを表1に示す。◎は優れていることを示し、○はやや優れていることを示し、△はやや劣っていることを示し、×は劣っている(あるいは実用的でない)ことを示している。 Table 1 shows a summary of the calculation cost and calculation accuracy of the method of the present invention and the existing first-principle molecular orbital calculation method evaluated in four stages (◎, ○, Δ, ×). A indicates that it is excellent, ○ indicates that it is slightly superior, Δ indicates that it is slightly inferior, and X indicates that it is inferior (or impractical).
表1に示すように、本発明の手法によれば、比較的安価なコスト(○)で、あらゆる種類の電子相関に対し高精度な計算(◎)が可能になる。 As shown in Table 1, according to the method of the present invention, highly accurate calculation (計算) can be performed for all types of electronic correlations at a relatively low cost (◯).
次に、本発明の好ましい実施形態について説明する。最初に、本発明者らが新規に提案するCAS−DFT法について説明する。 Next, a preferred embodiment of the present invention will be described. First, the CAS-DFT method newly proposed by the present inventors will be described.
まず、KS−DFT法の特徴である、
(1)密度が単一スレーター(Slater)行列式の密度で与えられること、
(2)そのスレーター行列式を構成する一電子軌道(Kohn-Sham軌道と呼ぶ)が電子相関(交換相関項)の効果を反映した有効場(交換相関ポテンシャル)のもとの一電子問題、Kohn-Sham方程式の解になっている、
の2点を以下のように書き直す(定式化する)。
First, it is a feature of the KS-DFT method.
(1) The density is given by the density of a single Slater determinant,
(2) One-electron problem in the slater determinant (called the Kohn-Sham orbit), an one-electron problem with an effective field (exchange correlation potential) reflecting the effect of electron correlation (exchange correlation term), Kohn -Sham equation solution
These two points are rewritten as follows (formulation).
(A1)密度がCAS波動関数の密度で与えられること、
(A2)そのCAS波動関数が、残りの電子相関(相関項)の効果を反映した有効場(相関ポテンシャル)のもとの多電子問題、CASCIになっていること。
(A1) The density is given by the density of the CAS wave function;
(A2) The CAS wave function is a multi-electron problem, CASCI based on the effective field (correlation potential) reflecting the effect of the remaining electron correlation (correlation term).
通常のDFTにおけるオイラー(Eular)方程式は、密度をρ(r)、DFTの普遍汎関数をFDFT[ρ(r)]、核引力ポテンシャルをVNe(r)、電子数が一定であるという条件での未定乗数(ラグランジュ乗数)をμとすると、 Euler's equation in ordinary DFT is that density is ρ (r), DFT universal functional is F DFT [ρ (r)], nuclear attractive potential is V Ne (r), and the number of electrons is constant. If the undetermined multiplier (Lagrange multiplier) under the conditions is μ,
である。そこで本発明では、式(1)を上記の定式化に基づいて拡張する。その結果、本発明に基づくCAS−DFT法に対応するDFTのオイラー方程式が得られる。 It is. Therefore, in the present invention, the expression (1) is expanded based on the above formulation. As a result, a DFT Euler equation corresponding to the CAS-DFT method according to the present invention is obtained.
ここでFCAS-DFT[ρ(r)]は、CAS−DFT法での普遍汎関数であり、従来のDFTでの「相互作用しない参照系」の代わりに「相互作用する参照系」を導入するためのものである。ERC[ρ(r)]は残余相関エネルギーであり、
ERC[ρ(r)]=FDFT[ρ(r)]−FCAS-DFT[ρ(r)] (3)
で定義される。ここで、ERC[ρ(r)]が正確に決めることができるのであれば、式(2)は、正確なDFTのオイラー方程式と等価となる。
Here, F CAS-DFT [ρ (r)] is a universal functional in the CAS-DFT method, and instead of the “non-interacting reference system” in the conventional DFT, an “interacting reference system” is introduced. Is to do. E RC [ρ (r)] is the residual correlation energy,
E RC [ρ (r)] = F DFT [ρ (r)] − F CAS-DFT [ρ (r)] (3)
Defined by Here, if E RC [ρ (r)] can be accurately determined, the equation (2) is equivalent to an accurate DFT Euler equation.
式(2)におけるFCAS-DFT[ρ(r)]は、式(4)で与えられる。 F CAS-DFT [ρ (r)] in equation (2) is given by equation (4).
ここで、Ψは波動関数を表しており、 Where Ψ represents the wave function,
は、それぞれ、運動エネルギー項とCAS法でカバーできる電子相関項である。CAS法でカバーできる電子相関項については、 Are respectively the kinetic energy term and the electron correlation term that can be covered by the CAS method. Regarding the electron correlation terms that can be covered by the CAS method,
のように表すことができる。ここでΣCASは、CAS稼動関数理論での活性空間中の正準軌道についてサメンションを求めることを示しており、ρ1(i,l;σ)及びρ2(i,j,k,l;σσ')は、以下のように表される。 It can be expressed as Here, Σ CAS indicates that a summation is obtained for the canonical orbit in the active space in the CAS operation function theory, and ρ 1 (i, l; σ) and ρ 2 (i, j, k, l; (σσ ′) is expressed as follows.
ciσ,c+ iσは、対応する正準軌道基底{φiσ}に対する生成及び消滅演算子である。ここで、最小エネルギーを考えると、 c i σ, c + i σ are generation and annihilation operators for the corresponding canonical orbital basis {φ i σ}. Here, given the minimum energy,
のように表すことができ、変分原理から、式(4)で表されるようにFCAS-DFT[ρ(r)]を定義することによって、通常のDFT法でのオイラー方程式(式(1))から、式(2)に示した本発明に基づくCAS−DFT法でのオイラー方程式が得られることが分かる。 By defining F CAS-DFT [ρ (r)] as expressed by equation (4) from the variational principle, the Euler equation (equation ( From 1)), it can be seen that the Euler equation in the CAS-DFT method based on the present invention shown in equation (2) is obtained.
ところで、式(2)におけるエネルギーは、密度行列を用いて、 By the way, the energy in equation (2) is
のように書き直すことができる。ここでHcore(i,j,σ)は、(i,j)要素のコアハミルトニアンであり、下記式で表される。 Can be rewritten as Here, H core (i, j, σ) is the core Hamiltonian of the (i, j) element, and is represented by the following expression.
軌道を正準軌道に固定すると、δρ(r)は、 When the orbit is fixed to the canonical orbit, δρ (r) is
で表される。したがって、実在系での定常状態では、 It is represented by Therefore, in the steady state in the real system,
となる。 It becomes.
ここで、有効多電子問題を、上記の定式化のうちの(A2)にしたがって、 Here, the effective multi-electron problem is expressed in accordance with (A2) in the above formulation.
のように表す。式(13)は、CAS−DFT法における有効CASCI方程式である。ここで、 It expresses like this. Equation (13) is an effective CASCI equation in the CAS-DFT method. here,
は、それぞれ、ab initio CASハミルトニアン、及び残余相関エネルギーを反映した一体相関ポテンシャル項であり、 Are integral correlation potential terms reflecting ab initio CAS Hamiltonian and residual correlation energy, respectively.
が成り立つ。Veffは電子相関を取り込むための演算子として用いられている。式(14)において右辺の第2項は、CASCI法での明示的な電子反発項である。式(13)の解が、式(2)の停留条件を満たすように、一体相関ポテンシャル項を決めると、 Holds. V eff is used as an operator for taking in the electron correlation. In Expression (14), the second term on the right side is an explicit electron repulsion term in the CASCI method. When the integral correlation potential term is determined so that the solution of Equation (13) satisfies the stationary condition of Equation (2),
が得られる。だたし、有効ポテンシャル(有効場)VRC(r)は、動的電子相関に対応する残余相関エネルギーERC[ρ(r)]と、 Is obtained. However, the effective potential (effective field) V RC (r) is the residual correlation energy E RC [ρ (r)] corresponding to the dynamic electron correlation,
の関係を有し、電子数密度n(ρ)に依存する。そこで、式(13)を自己無撞着場(SCF)の方法で反復的に解くことにより、本実施形態で求めようとする波動関数が得られることになる。 And depends on the electron number density n (ρ). Therefore, the wave function to be obtained in the present embodiment can be obtained by iteratively solving Equation (13) by the self-consistent field (SCF) method.
式(13)は式(2)を満たすように定式化されているので、式(13)の解 Since Equation (13) is formulated to satisfy Equation (2), the solution of Equation (13)
の密度ρ(r)は、オイラー方程式(式(2))の解になっている。これにより、有効問題が、KS−DFT法の一電子問題からCAS−DFT法の多電子問題に定式化し直されたこととなる。本実施形態では、CAS演算+DFT補正法では得られなかった、動的電子相関の影響を反映した波動関数を得ることができる。これにより、例えば、分子の構造や双極子モーメントといった、動的電子相関の効果を反映したエネルギー以外の物理量の計算が可能となる。 The density ρ (r) is the solution of the Euler equation (equation (2)). As a result, the validity problem is re-formulated from the one-electron problem of the KS-DFT method to the multi-electron problem of the CAS-DFT method. In the present embodiment, it is possible to obtain a wave function that reflects the influence of dynamic electron correlation, which was not obtained by the CAS calculation + DFT correction method. This makes it possible to calculate physical quantities other than energy that reflect the effects of dynamic electron correlation, such as molecular structure and dipole moment.
本実施形態の方法では、上記のようにしてERC[ρ(r)]を構成することとすると、既存のCAS演算+DFT補正法の場合と等価に、電子相関におけるダブルカウンティングの問題が発生する。そこで、ダブルカウンティングの除去のためには、既存のCAS演算+DFT補正法の場合と同様に、
(1)軌道エネルギーをk空間にマップしDFT補正のための有効密度を定義することで、CAS法でカバーされているもの以外の相関エネルギーを過不足なく計算する方法、あるいは、
(2)ハミルトニアンの2電子間のクーロン項を誤差関数を用いて静的電子相関への寄与と動的電子相関への寄与とに分け、前者をCAS法(より一般的には波動関数理論)で、後者をDFTの相関エネルギー項でカバーする方法
のいずれかの方法をそのまま採用することができる。
In the method according to the present embodiment, if E RC [ρ (r)] is configured as described above, a double counting problem in electronic correlation occurs, equivalent to the case of the existing CAS calculation + DFT correction method. . Therefore, in order to remove double counting, as in the case of the existing CAS calculation + DFT correction method,
(1) By calculating the effective energy density for DFT correction by mapping the orbital energy into k-space, the correlation energy other than that covered by the CAS method can be calculated without excess or deficiency, or
(2) Coulomb term between two electrons of Hamiltonian is divided into contribution to static electron correlation and contribution to dynamic electron correlation using error function, and the former is CAS method (more generally wave function theory) Thus, any of the methods of covering the latter with the DFT correlation energy term can be employed as it is.
ところで、式(14)のVeff(i,j;σ)は、 By the way, V eff (i, j; σ) in equation (14) is
と表されるので、式(14)から、本実施形態のCAS−DFT法でのハミルトニアンは、実用的には、 Therefore, from Equation (14), the Hamiltonian in the CAS-DFT method of this embodiment is practically
のように表される。したがって、(13)式に基づく反復演算を行うのではなく、(18)式のハミルトニアンを用いて反復計算を行うようにしてもよい。 It is expressed as Therefore, instead of performing the iterative operation based on the equation (13), iterative calculation may be performed using the Hamiltonian of the equation (18).
次に、上述した計算手法による具体的な計算手順を説明する。図2は、本実施形態における計算手順を示すフローチャートである。 Next, a specific calculation procedure using the above-described calculation method will be described. FIG. 2 is a flowchart showing a calculation procedure in the present embodiment.
まず、ステップ101において、分子構造、電子数、SCFのしきい値などの計算条件を設定し、ステップ102において、正準軌道等の一電子軌道をベースにしてCASCI方程式を解き、初期値設定として、初期エネルギー、初期一電子縮約密度行列を計算する。次に、ステップ103において、一電子縮約密度行列から密度を計算し、ステップ104において、ステップ103で求めた密度を用いて、式(16)から有効ポテンシャルVRC(r)を求め、ステップ105において、ステップ104で求めた有効ポテンシャルを用いて有効CASCI方程式(式(13))を解き、ステップ106において、有効CASCI方程式を解いた結果から、エネルギー及び一電子縮約密度行列を計算する。次に、ステップ106において、前回のサイクルで計算したエネルギー及び一電子縮約密度行列と今回計算されたエネルギー及び一電子縮約密度行列とを比較し、それらの差がステップ101で設定されたしきい値以下であるかを判定する。ここでしきい値以下であれば、反復計算が収束したものとして計算完了として、ステップ107において結果を出力し、しきい値を超える場合には、反復計算が未収束であるとして、ステップ103に戻る。
First, in
以上のようにしてSCF反復CASCI計算を行うことによって、CAS法で得られる波動関数に動的電子相関を正しく取り入れることができ、静的電子相関及び動的電子相関を正確にカバーした波動関数に基づくエネルギー値や電子密度行列を算出することができる。 By performing the SCF iterative CASCI calculation as described above, the dynamic electron correlation can be correctly incorporated into the wave function obtained by the CAS method, and the wave function accurately covers the static electron correlation and the dynamic electron correlation. Based on the energy value and the electron density matrix can be calculated.
図3は、上述した計算を実行する計算装置の構成を示している。計算装置10は、分子構造、電子数、SCFのしきい値などの計算条件が入力する入力部11と、CASCI方程式を解いて初期値を算出する初期値計算部12と、一電子縮約密度行列から密度及び有効ポテンシャルを算出するポテンシャル計算部13と、有効ポテンシャルを用いて式(13)の有効CASCI方程式を解くCASCI計算部14と、計算途中のデータや計算結果を格納する格納部15と、前回のサイクルで計算したエネルギー及び一電子縮約密度行列と今回計算されたエネルギー及び一電子縮約密度行列を比較する比較部16と、計算結果(エネルギーや一電子縮約密度行列など)を出力する出力部17と、計算装置全体の制御を行う制御部18とを備えている。この計算装置10では、制御部18が各計算部12〜14、格納部15及び比較部16を制御することにより、上述したステップ101〜107の各処理が行われるようになっている。
FIG. 3 shows a configuration of a computing device that executes the above-described computation. The
入力部11に分子構造、電子数、SCFのしきい値などが入力すると、しきい値は比較部16に設定され、分子構造、電子数などは格納部15に格納されることにより、上述したステップ101の処理が実行される。そして、まず、初期値計算部12が、ステップ102の処理として、格納部15に格納された分子構造、電子数などに基づき、正準軌道等の一電子軌道をベースにしてCASCI方程式を解き、初期エネルギー、初期一電子縮約密度行列を計算し、これらを格納部15に格納する。
When the molecular structure, the number of electrons, the SCF threshold value, etc. are input to the
ポテンシャル計算部13は、ステップ103及び104の処理として、格納部15に格納されている最新の一電子縮約密度行列から密度を計算し、その密度を用いて、式(16)から有効ポテンシャルVRC(r)を求め、有効ポテンシャルを格納部15に格納する。CASCI計算部14は、ステップ105の処理として、格納部15に格納されている最新の有効ポテンシャルを用いて有効CASCI方程式(式(13))を解き、その結果から、エネルギー及び一電子縮約密度行列を計算し、格納部15に格納する。比較部16は、ステップ106の処理として、格納部15を参照し、前回のサイクルで計算したエネルギー及び一電子縮約密度行列と今回計算されたエネルギー及び一電子縮約密度行列とを比較し、それらの差が設定されたしきい値以下であるかを判定する。そして、その判定結果により、制御部18は、ステップ103からの処理を再実行するためにポテンシャル計算部13及びCASCI計算部14を再起動するか、あるいは、ステップ107の処理として、格納部15に対し、出力部17から結果を出力するように制御する。
The
以上説明した計算装置は、それを実現するためのコンピュータプログラムを、パーソナルコンピュータやスーパーコンピュータなどのコンピュータに読み込ませ、そのプログラムを実行させることによっても実現できる。プログラムは、上述したCAS−DFT法に基づくSCF反復CASCI演算をコンピュータに実行させるものであって、磁気テープやCD−ROMなどの記録媒体によって、あるいはネットワークを介して、コンピュータに読み込まれる。このようなコンピュータでは、読み込んだプログラムをそのコンピュータのハードディスク装置に格納し、ハードディスク装置に格納されたプログラムをそのコンピュータのCPUが実行することにより、計算装置として機能する。 The computing device described above can also be realized by causing a computer program such as a personal computer or a supercomputer to read the computer program for realizing it and executing the program. The program causes the computer to execute the SCF repetitive CASCI operation based on the above-described CAS-DFT method, and is read into the computer by a recording medium such as a magnetic tape or a CD-ROM or via a network. In such a computer, the read program is stored in a hard disk device of the computer, and the program stored in the hard disk device is executed by the CPU of the computer to function as a computing device.
図4は、フッ素分子(F2)のポテンシャル表面について、本発明による方法(CAS−DFT法)による計算結果と既存の計算手法による計算結果とを比較して示したグラフである。横軸はフッ素原子の原子間距離を示し、縦軸は全エネルギーを示している。図中、大きな四角印は、実測値を示している。既存の方法のうち、CAS−PT2法とは、既存のCAS法において2次の摂動項として動的電子相関を取り込もうとするものである。 FIG. 4 is a graph showing a comparison between the calculation result obtained by the method according to the present invention (CAS-DFT method) and the calculation result obtained by an existing calculation method for the potential surface of the fluorine molecule (F 2 ). The horizontal axis indicates the interatomic distance of fluorine atoms, and the vertical axis indicates the total energy. In the figure, large square marks indicate actual measurement values. Among the existing methods, the CAS-PT2 method is an attempt to incorporate dynamic electronic correlation as a second-order perturbation term in the existing CAS method.
図からわかるように、従来のCAS法では、動的電子相関が取り込まれていないので、実測値から大きくずれた結果(実測値よりも約0.35%大きな全エネルギー)が得られている。CAS−PT2法によっても、実測値から約0.1%大きな全エネルギーがえられている。これに対して本発明の手法によれば、動的電子相関が正しく取り込まれているので、実測値とほぼ一致する結果が得られている。 As can be seen from the figure, in the conventional CAS method, the dynamic electron correlation is not taken in, so a result deviating greatly from the actually measured value (total energy about 0.35% larger than the actually measured value) is obtained. Even with the CAS-PT2 method, a total energy of about 0.1% larger than the actually measured value is obtained. On the other hand, according to the method of the present invention, since the dynamic electron correlation is correctly taken in, a result almost coincident with the actually measured value is obtained.
本発明の計算方法及び計算装置によれば、少ない計算コストで、静的電子相関及び動的電子相関をカバーする正確な分子軌道法計算を行うことができる。したがって、本発明を用いることにより、生体酵素の化学反応の機構解明、分子機能性材料の先験的設計などの分野で、定量的な評価を行うことができ、本発明は、反応機構の解明や新規有用物質の設計と合成などにおいて大いに役立つ。さらに本発明の計算装置は、バイオインフォマティックス(bioinfomatics)分野に特化したASP(アプリケーションサービスプロバイダ)などにおいても利用可能である。そのようなASPは、本発明に基づく計算アルゴリズムを効率的に処理できるコンピュータ資源(ハードウェア及びソフトウェア)を備えており、各顧客はネットワークを介してそのASPの計算センタにアクセスして、所望の分子軌道法計算を実行させることになる。 According to the calculation method and the calculation apparatus of the present invention, accurate molecular orbital calculation that covers static electron correlation and dynamic electron correlation can be performed with low calculation cost. Therefore, by using the present invention, quantitative evaluation can be performed in fields such as elucidation of the chemical reaction mechanism of biological enzymes and a priori design of molecular functional materials. And useful for the design and synthesis of new useful substances. Furthermore, the computing device of the present invention can be used in an ASP (Application Service Provider) specialized in the bioinfomatics field. Such ASPs are equipped with computer resources (hardware and software) that can efficiently process the calculation algorithms according to the present invention, and each customer accesses the ASP's calculation center via the network to obtain the desired The molecular orbital calculation will be executed.
11 入力部
12 初期値計算部
13 ポテンシャル計算部
14 CASCI計算部
15 格納部
16 比較部
17 出力部
18 制御部
101〜107 ステップ
DESCRIPTION OF
Claims (8)
入力された分子構造及び電子数に基づいて、密度汎関数理論による有効場のもと、CASCI法に基づく自己無撞着場反復演算を実行する段階と、
を有し、CAS法で得られる波動関数に電子相関を正しく取り込んだ分子軌道法計算を実行する、計算方法。 Entering the molecular structure and number of electrons;
Performing a self-consistent field iterative operation based on the CASCI method under an effective field based on the density functional theory based on the input molecular structure and the number of electrons;
And a molecular orbital calculation in which the electron correlation is correctly incorporated in the wave function obtained by the CAS method.
入力された分子構造及び電子数に基づいて、初期値として用いるエネルギー及び密度行列を得る初期値計算段階と、
密度行列から有効ポテンシャルを算出するポテンシャル計算段階と、
前記有効ポテンシャルに基づいて有効CASCI方程式を解き、エネルギー及び密度行列を得るCASCI計算段階と、
前回求めたエネルギー及び密度行列と今回求めたエネルギー及び密度行列とを比較して収束を判定する判定段階と、
を有し、前記判定段階で未収束と判定された場合には、前記今回求めたエネルギー及び密度行列を用いて前記ポテンシャル計算段階、前記CASCI計算段階及び前記判定段階を反復して実行し、前記判定段階で収束と判定された場合には、計算を終了する、分子軌道法の計算方法。 An input stage for inputting the molecular structure and the number of electrons;
An initial value calculation stage for obtaining an energy and density matrix to be used as initial values based on the input molecular structure and the number of electrons;
A potential calculation stage for calculating the effective potential from the density matrix;
A CASCI calculation step of solving an effective CASCI equation based on the effective potential to obtain an energy and density matrix;
A determination stage for determining convergence by comparing the energy and density matrix obtained last time with the energy and density matrix obtained this time;
And the potential calculation step, the CASCI calculation step, and the determination step are repeatedly performed using the energy and density matrix obtained this time, A molecular orbital calculation method that terminates the calculation if it is determined to converge at the determination stage.
入力された分子構造及び電子数に基づいて、初期値として用いるエネルギー及び密度行列を得る初期値計算部と、
密度行列から有効ポテンシャルを算出するポテンシャル計算部と、
前記有効ポテンシャルに基づいて有効CASCI方程式を解き、エネルギー及び密度行列を得るCASCI計算部と、
前回求めたエネルギー及び密度行列と今回求めたエネルギー及び密度行列とを比較して収束を判定する判定部と、
前記判定部で未収束と判定された場合には、前記今回求めたエネルギー及び密度行列を用いて前記ポテンシャル計算部及び前記CASCI計算部に計算を反復させ、前記判定部で収束と判定された場合には、計算を終了させる制御部と、
を有する、分子軌道法の計算装置。 An input unit for inputting a molecular structure and the number of electrons;
An initial value calculation unit for obtaining an energy and density matrix to be used as initial values based on the input molecular structure and the number of electrons;
A potential calculator that calculates the effective potential from the density matrix;
A CASCI calculator that solves an effective CASCI equation based on the effective potential and obtains an energy and density matrix;
A determination unit that determines convergence by comparing the energy and density matrix obtained last time with the energy and density matrix obtained this time,
When the determination unit determines that convergence has not occurred, the potential calculation unit and the CASCI calculation unit repeat the calculation using the energy and density matrix obtained this time, and the determination unit determines convergence Includes a control unit for terminating the calculation, and
A molecular orbital calculation device.
分子構造及び電子数を入力する入力手段、
入力された分子構造及び電子数に基づいて、初期値として用いるエネルギー及び密度行列を得る初期値計算手段、
密度行列から有効ポテンシャルを算出するポテンシャル計算手段、
前記有効ポテンシャルに基づいて有効CASCI方程式を解き、エネルギー及び密度行列を得るCASCI計算手段、
前回求めたエネルギー及び密度行列と今回求めたエネルギー及び密度行列とを比較して収束を判定する判定手段、
前記判定手段で未収束と判定された場合には、前記今回求めたエネルギー及び密度行列を用いて前記ポテンシャル計算手段及び前記CASCI計算手段に計算を反復させ、前記判定手段で収束と判定された場合には、計算を終了させる制御手段、
として機能させる、プログラム。 Computer
Input means for inputting molecular structure and number of electrons,
An initial value calculation means for obtaining an energy and density matrix used as initial values based on the inputted molecular structure and the number of electrons;
A potential calculation means for calculating an effective potential from a density matrix;
CASCI calculation means for solving an effective CASCI equation based on the effective potential and obtaining an energy and density matrix;
A determination means for determining convergence by comparing the energy and density matrix obtained last time with the energy and density matrix obtained this time,
When the determination means determines that the convergence has not occurred, the potential calculation means and the CASCI calculation means repeat the calculation using the energy and density matrix obtained this time, and the determination means determines that the convergence has occurred. Control means for terminating the calculation,
A program that functions as
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