第一原理計算

現実の原子を仮想世界で再現するには、量子力学が必要です。量子力学的に"正確な"シミュレーションは、「第一原理計算（ First Principle calculation または ab initio calculation）」と呼ばれています。第一原理計算をするための方法が、密度汎関数法です。

物理学と化学のちがい

第一原理的な計算は、物理学と化学の両方であります。筆者は化学の方の計算の詳細を知りませんが、明らかに違うのは、原子・分子の形態です。

物理学における「結晶」や、化学における「単一の分子」は、それぞれの分野で物質のシミュレーションをする時の、もっとも簡単な研究対象です。

第一原理計算は計算量が大きいため、「簡単なもの」とは、扱う原子数が少なく、仮想空間が小さくて良いものです。「結晶は原子数が多いのではないか？」、と思うかもしれません。周期境界条件によって、原子が規則的に並んでいることを表現しますので、一般的な結晶なら、そんなに原子数は多くなりません。

「電子状態を調べて、何の役に立つのか？」という疑問があるかもしれません。その答えの一例が、圧電素子の鉛フリー化と、第一原理計算です。

「データサイエンスと材料研究開発　日本金属学会シンポジウム予稿」　日本金属学会　編　2017
第一原理計算と機械学習の組み合わせで、すぐれた物性の材料を開発する話があります。