研究内容

Theory and Computation of Earth and Planetary Materials

「地球や惑星の内部はどのような物質からできていて、それが天体の構造や進化とどう関わっているのか？」　
我々は数値シミュレーションを軸とした理論的・計算物理学的アプローチから、この素朴かつ壮大な問いに対する答えを日々探究しています。また、そのための手法開発を進めています。

「地球惑星深部は、我々が住む地上とは全く異なる超高温超高圧の未知の世界です。」　
そのような世界では、物質は時として常識をはるかに超えた振る舞いを示します。我々は第一原理電子状態計算法と呼ばれる理論シミュレーションの方法を用いて、実験が困難な状況での物質の性質を調べています。研究を続けている中で、新たな相転移や想定外の現象など、驚きの発見にもしばしば遭遇します。

「地球惑星科学と物性科学を横断する、全く新しい研究分野です。」　
創造性に富む世界レベルの研究を、メンバー全員一丸となって遂行していくことが、本研究室の基本方針です。一方、広い視点をもつ国際的な人材育成にも力を入れています。研究テーマの決定においては各自の自主性・希望を第一に尊重しますので、この方針に従ってどんどん主体的に研究活動（＋その他の活動）に没頭していただきたいと考えています。きっと未知の世界を開拓する醍醐味を味わいながら研究に取り組むことができるでしょう。

この分野を極めるには広く物理学や地球惑星科学、コンピュータプログラミングの知識が必要となります。ですが、それらすべてを理解するのはそれほど簡単なことではありません。はじめは必要に応じて勉強しようという意欲や興味を持つことが何より大切です。研究室のゼミでは、鉱物物性理論における基礎的な手法や新しい考え方を学びながら、最先端の研究をおこなっていきます。これまで実験をしていたが理論的背景にも興味が湧いてきたという人も歓迎しています。

我々の研究について興味を抱いた方は、ぜひ研究室をご訪問ください。若い方の参加はいつでも大歓迎です。

• Nature誌で研究が紹介されました。「特集記事：地球や地球型惑星の深部構造を理論計算で解明 PDF」

• 大学の研究室紹介ページ　Infinity
  「第一原理鉱物物性シミュレーションによる地球惑星科学」
  「第一原理電子状態計算による含水鉱物の研究」

研究ターゲット

1. 複雑構造・組成を持つ地球惑星物質及び関連物質の第一原理計算

2. 基礎的方法論・計算手法の開発

3. 超高圧超高温の極限環境下における物質科学

4. 地球や惑星の構造と進化

5. 計算機の中に地球をつくる！

受賞

• 文部科学大臣表彰若手科学者賞 （2009年）

• 日本学術振興会賞 （2011年）

• 日本鉱物科学会賞 （2014年）

• 地球惑星科学振興西田賞 （2017年）

• 高圧力学会賞（2019年）等　>>受賞のページ

シミュレーション結果の動画

研究室ゼミ

研究室では、日頃の研究活動のほか、学部生向け・大学院以上向けの二つの勉強会と全体ゼミ（TMPGミーティング）を、それぞれ週一度ずつ実施しています。これらを通して、基礎的な手法や新しい考え方、プログラミング技術を習得し、さらには最先端の研究をおこなっていきます。

1. 勉強会　
   基礎的な教科書を輪読することにより、この分野で必須となる量子力学、統計力学、固体物理学、地球惑星構造学について学習します。特に物理学については地球科学科の授業カリキュラムではほとんど取り扱われないので、この勉強会で一から学習します。丁寧に進めることにより、じっくり理解を深めてもらうことを心がけています。

   • 2020年度の勉強会
     力学　（戸田盛和著）（学部生向け）

   • 初歩から学ぶ固体物理学　（矢口裕之著）（修士向け）

2. TMPGミーティング　
   研究の進展状況について発表・報告を行います。発表や議論を通じて、専門的な研究の進め方を習得していくとともに、プレゼンテーションの技術を身に着けます。メンバー全員で議論することにより、研究室全体で知識を共有しながら、新たな着想・問題解決の糸口を見いだします。良い研究成果が得られた場合には、学会発表や論文発表などへの挑戦も推奨しています。

2024年前期スケジュール（PDF）

TMPGサマースクール

夏休みに大学以外の場所で行う合宿形式の研究会です。自由な雰囲気の中、学生さんも頑張って研究発表します。研究室メンバーだけでなく、関連分野の研究グループからの参加もあり、他大学の知り合いを増やす絶好の機会にもなっています。

2024年度 (August 4-6,24)      [Link]
2023年度 (August 3-5,23)      [Link]
2022年度 (August 6-8,22)     [Link]
2020-2021年度 (新型コロナウイルス感染拡大のため中止)
2019年度 (August 25-27,19)     [Link]
2018年度(August 5-7,18)     [Link]
2017年度 (July 30-August 01,17)     [Link]
2016年度 (August 18-20,16)     [Link]
2014年度 (August 05-07,14)     [Link]
2013年度 (August 05-07,13)     [Link]
2012年度 (August 02-04,12)     [Link]
2011年度 (August 01-03,11)     [Link]
2010年度 "Theory-Experiment Joint Seminar" (August 02-04,10)     [Link]
2009年度 G-COE Summer School "P-V-T equations of state of materials" (August 03-05,09)     [Link]
2008年度 第1回 TMPGサマースクール (August 9-10,08)     [Pics]

その他の研究ハイライト（英語）

1. Prediction of high-P,T phase relationship of SiO2
   
   Hexagonal SiO2 phase shed light on the internal structures of giant planets and super-Earths!
   Tsuchiya and Tsuchiya, PNAS 108, 1252-1255 (2011)
   We report a theoretical prediction on a previously uncharacterized stable structure of silica with an unexpected hexagonal Fe2P-type form, which is more stable than the cotunnite-type structure, a previously postulated postpyrite phase, and was discovered to stabilize at 640 GPa. Additional investigation further elucidates large effects of this phase change in SiO2 on the stability of MgSiO3 and CaSiO3 at multimegabar pressures. A postperovskite phase of MgSiO3 breaks down at 1.04 TPa along an assumed adiabat of super-Earths and yields Fe2P-type SiO2 and CsCl (B2)-type MgO. CaSiO3 perovskite, on the other hand, directly dissociates into SiO2 and metallic CaO, skipping a postperovskite polymorph. Predicted ultrahigh-pressure and temperature phase diagrams of SiO2, MgSiO3, and CaSiO3 indicate that the Fe2P-type SiO2 could be one of the dominant components in the deep mantles of terrestrial exoplanets and the cores of gas giants.

First experimental identification of the Fe2P-type phase in a low-pressure analog, TiO2
Dekura et al., Phys. Rev. Lett. 107, 045701 (2011)
See also [Summary]

High-P,T phase relations of silica at the lower mantle pressures
Tsuchiya et al., Geophys. Res. Lett. 31, L11610 (2004)
A study on the ab initio high-P,T phase diagram of minerals by DFPT + QHA 

Lowermost mantle

Mistery in the base of Earth's mantle now clarified!
Tsuchiya et al., Earth Planet. Sci. Lett. 224, 241-248 (2004)
A new polymorph of MgSiO3 more stable than the Pbnm-perovskite phase has been identified by first-principles computations. It has the CaIrO3 structure with Cmcm symmetry and consists of SiO3 layers intercalated by eightfoldcoordinated Mg ions. High-temperature calculations within the quasiharmonic approximation give a volume change of 1.5% and a Clapeyron slope of ~7.5+-0.3 MPa/K at ~2750 K and ~125 GPa. These pressure–temperature (P–T) conditions are close to those in which a phase transition in MgSiO3-perovskite has been observed by in situ angle dispersive X-ray diffraction measurements. This transition appears to be associated with the D" discontinuity. 

High-P,T multi-component phase equilibria in MgSiO3-Al2O3
Tsuchiya and Tsuchiya, PNAS 105, 19160-19164 (2008)
We investigate high-P,T phase equilibria of the MgSiO3–Al2O3 system by means of the density functional ab initio computation methods with multiconfiguration sampling. Being different from earlier studies based on the static substitution properties with no consideration of Rh2O3(II) phase, present calculations demonstrate that (i) dissolving Al2O3 tends to decrease the postperovskite transition pressure of MgSiO3 but the effect is not significant (~-0.2 GPa/mol% Al2O3); (ii) Al2O3 produces the narrow perovskite postperovskite coexisting P,T area (~1 GPa) for the pyrolitic concentration (xAl2O3~6 mol%), which is sufficiently responsible to the deep-mantle D" seismic discontinuity; (iii) the transition would be smeared (~4 GPa) for the basaltic Al-rich composition (xAl2O3~20 mol%), which is still seismically visible unless iron has significant effects; and last (iv) the perovskite structure spontaneously changes to the Rh2O3(II) with increasing the Al concentration involving small displacements of the Mg-site cations. 

Temperature profile in the lowermost mantle
Kawai and Tsuchiya, PNAS 106, 22119-22123 (2009)
The internal structure of the core-mantle boundary (CMB) region of the Earth plays a crucial role in controlling the dynamics and evolution of our planet. We have developed a comprehensive model based on the radial variations of shear velocity in the D″ layer (the base of the lower mantle) and the high-P,T elastic properties of major candidate minerals, including the effects of post-perovskite phase changes. This modeling shows a temperature profile in the lowermost mantle with a CMB temperature of 3,800 ± 200 K, which suggests that lateral temperature variations of 200–300 K can explain much of the large velocity heterogeneity observed in D″. A single-crossing phase transition model was found to be more favorable in reproducing the observed seismic wave velocity structure than a double-crossing phase transition model. 

3. First principles modeling of the spin transition in iron-bearing mineral phases

Spin crossover transition of Fe2+ in (Mg,Fe)O ferropericlase
Tsuchiya et al., Phys. Rev. Lett. 96, 198501 (2006)
Iron in the major lower mantle (LM) minerals undergoes a high spin (HS) to low spin (LS) transition at relevant pressures (23–135 GPa). Previous failures of standard first principles approaches to describe this phenomenon have hindered its investigation and the clarification of important consequences. Using a rotationally invariant formulation of LDA+U we report a successful study of this transition in low solute concentration magnesiowustite, (Mg1-xFex)O, (x larger than 0.2), the second most abundant LM phase. We show that the HS-LS transition goes through an insulating (semiconducting) intermediate mixed spins (MS) state without discontinuous changes in properties, as seen experimentally. 

4. Ab initio calculation of the P-V-T equation of state and pressure standard

DFPT + QHA for the EoS of gold
Tsuchiya, J. Geophys. Res. 108, 2462 (2003)
The P-V-T equation of state (EOS) of gold is the most frequently used pressure calibration standard in high-P-T in situ experiments. Empirically proposed EOS models, however, severely scatter under high-P-T conditions, which is a serious problem for studies of the deep Earth. In this study, the EOS of gold is predicted using a first-principles electronic structure calculation method without any empirical parameters. The calculated thermoelastic properties of gold compare favorably to experimental data at ambient conditions so that BT0 and B'T0 are 166.7 GPa and 6.12, respectively. Up to V/Va = 0.7, the calculated Grüneisen parameter of gold depends on volume according to the function γ/γa = (V/Va)ξ with γa of 3.16 and ξ of 2.15. On the basis of these data, the validity of previous EOS models is discussed. It is found that the present ab initio EOS provides a 1.3 GPa higher pressure than Anderson's scale at 23 GPa and 1800 K and largely reduces the discrepancy observed between conditions at the transition of Mg2SiO4 and the 660-km seismic discontinuity. However, a discrepancy of about 0.7 GPa still remains between the 660-km discontinuity and the postspinel transition. 

地学コース2年後学期「固体地球物理学」講義資料 

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