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金沢大学ナノマテリアル研究所の山口直也助教、石井史之教授、台湾・淡江大学の李啟正准教授、東京大学の尾崎泰助教授らの国際共同研究グループは、有限サイズの巨大分子モデルに対する第一原理計算から非周期的なナノ材料（※1）の電子状態（※2）をバンド（※3）構造として可視化する新しい計算手法を開発しました。
ナノ材料は、特異な電子状態を持ち、新機能創出が期待される材料群として世界的に注目されています。ナノ材料の電子状態解析技術の発展により実験的観察は進んだ一方で、従来の第一原理計算（※4）では、並進対称性（※5）を欠くナノ構造に対しては解析が難しい場合が多く、理論的解析基盤が十分に整備されていませんでした。
本研究では、従来のバンドアンフォールディング（※6）法を拡張することで有限ナノ構造を扱える形式に再定式化し、計算プログラムとして実現しました。一連の計算手続きを「巨大分子バンドアンフォールディング法（GMBU法）」として位置づけ、グラフェン、遷移金属ダイカルコゲナイド（二硫化タングステン（WS₂））、ビスマス／銀表面合金のナノフレークに適用しました。その結果、数ナノメートルスケールの有限モデルでも明瞭な電子バンド構造の可視化に成功しました。さらに湾曲構造にも適用可能であることを確認し、ナノ材料の電子構造解析における汎用的解析基盤としての有用性を示しました。
GMBU法は並進対称性が完全には成り立たない場合や、材料中に空間的な不均一性・ゆらぎが存在する場合でも、材料が局所的な周期性を有していれば大規模第一原理計算と統合することで、バンド理論の観点から電子構造を解析できる柔軟な計算手法であり、今後の広範な展開が期待されます。
本研究の成果は、高分解能化が進むナノARPESによる実験観測と理論解析の連携を促し、次世代のエレクトロニクスやスピントロニクス材料の設計の高度化に寄与することが期待されます。
本研究成果は、2025年12月10日午前8時（米国東部標準時）に米国科学誌『Nano Letters』のオンライン版に掲載されました。また、本誌の表紙（Supplementary Cover）に採用されています。
図1：巨大分子バンドアンフォールディング（GMBU）法（図左側）とその応用（図右側）
左図は、巨大分子の分子軌道からバンド構造を抽出する手続きについて、従来のバンドアンフォールディングとの比較しながら説明がされている。右図は、グラフェンナノフレークを湾曲させた場合の適用例となる。湾曲が急になると、ディラックコーン様のバンド構造が消失する。
N. Yamaguchi et al.による論文“Band Unfolding in Finite Nanostructures: Visualizing Dirac, Spin−Valley, and Rashba Features”に掲載された図を転載。著作権はAmerican Chemical Societyに帰属します。本図は、CC BY 4.0ライセンス（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）に基づいて利用しています。 出典元DOI：10.1021/acs.nanolett.5c04721
【用語解説】
※1 ナノ材料
ナノスケールで特徴的な構造（ナノ構造）を有する材料。微細加工技術によって人工的に作製されることが多い。ナノ材料を制御するためには、試料作製技術だけではなく、測定技術の開発も重要になる。
※2 電子状態
物質中の電子の振る舞い。材料物性の多くは電子状態によって決定される。
※3 バンド
固体において電子軌道のエネルギーの分布が帯（バンド）状になるが、その帯状の分布それぞれのこと。
※4 第一原理計算
実験観測によらずに量子力学の基礎方程式に基づいて電子状態を計算する計算科学手法。コンピューターを利用した第一原理計算によりバンド構造が得られる。
※5 並進対称性
ある長さだけ系を平行移動させると、その前後で系が不変である性質。理想的な固体結晶では並進対称性が満たされ、同じ結晶格子が繰り返し隣接しながら現れる。
※6 バンドアンフォールディング
拡大周期の計算モデルのバンド構造の折り畳みを解除する手法。元の周期を有する計算モデルでのバンド構造やARPESの計測結果とのより直観的な比較が可能になる。
ジャーナル名：Nano Letters
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