固体材料中の微小欠陥間のエネルギー移動を予測するオープンソースソフトウェアを開発(New open-source software predicts energy transfer between tiny defects in solid materials)

2026-07-30 アルゴンヌ国立研究所(ANL)

米国アルゴンヌ国立研究所の研究チームは、固体材料中の微小欠陥(点欠陥)間で生じるエネルギー移動を高精度に予測できるオープンソースソフトウェアを開発した。従来、この種の計算には高度な専門知識と膨大な計算時間が必要であり、量子情報デバイスや半導体、エネルギー材料の設計を妨げる要因となっていた。新ソフトウェアは、欠陥同士の相互作用やエネルギー伝達を効率的にシミュレーションできるため、量子ビット材料、発光デバイス、太陽電池、触媒などの性能向上に向けた材料探索を大幅に加速することが期待される。さらに、オープンソースとして公開することで、世界中の研究者が自由に利用・改良でき、再現性の高い共同研究や新たな材料設計の促進にも貢献する。欠陥レベルでのエネルギー移動を理解・制御する基盤技術として、次世代の機能性材料開発やエネルギー変換技術の発展を支える重要な成果である。

固体材料中の微小欠陥間のエネルギー移動を予測するオープンソースソフトウェアを開発(New open-source software predicts energy transfer between tiny defects in solid materials)
Scientific illustration of energy transfer between atomic-scale defects in a solid, as modeled by the open-source PyRET software developed by Argonne and UChicago researchers. (Image by Argonne National Laboratory.)

<関連情報>

光共振器内の局在発光体間のエネルギー伝達(第一原理に基づく) Energy transfer between localized emitters in photonic cavities from first principles

Swarnabha Chattaraj and Giulia Galli
Physical Review Research  Published: 9 September, 2025
DOI: https://doi.org/10.1103/8h8j-b79r

Abstract

Radiative and nonradiative resonant couplings between defects are ubiquitous phenomena in photonic devices used in classical and quantum information technology applications. In this work, we present a first-principles approach to enable quantitative predictions of the energy transfer between defects in photonic cavities, beyond the dipole-dipole approximation and including the many-body nature of the electronic states. As an example, we discuss the energy transfer from a dipolelike emitter to an center in MgO in a spherical cavity. We show that the cavity can be used to controllably enhance or suppress specific spin-flip and spin-conserving transitions. Specifically, we predict that an ∼10–100 enhancement in the resonant energy transfer rate can be gained in the case of the center in MgO at ∼10 nm distances from a dipolar source, using rather moderate cavity with quality factor ∼ 400. We also show that a similar suppression in the transfer rate can be achieved by off-tuning the cavity resonance relative to the emitter transition energy. The framework presented here is general and readily applicable to a wide range of devices where localized emitters are embedded in microspheres, core-shell nanoparticles, and dielectric Mie resonators. Hence, our approach paves the way to predict how to control energy transfer in quantum memories and in ultrahigh-density optical memories, and in a variety of quantum information platforms.

1701物理及び化学
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