構造相転移や熱膨張などを正確に予測するためには、格子振動の非調和性を正確に考慮する必要がある。そこで我々は、自己無撞着フォノン理論に基づく有限温度フォノン計算手法の開発を行っている。本手法では、まず単位胞を複数個含むスーパーセルで複数回DFT計算を実行し、そこから得られた変位と力のデータから原子間の非調和ばね定数を推定する。このときにLASSOなどのスパースモデリング手法を用いることで、物理的に重要な非調和ばね定数を決定するために必要な学習データ数（DFT計算の回数）を大幅に減らすことが可能であり、それによって計算効率が飛躍的に向上している。つづけて、求めた非調和ばね定数を用いて自己無撞着フォノン（SCP)計算を行い、温度変化するフォノン分散を計算する。SCP法を用いることで、従来では困難だった高温相や格子振動の非調和性が強い材料のフォノン分散を正確に予測することが可能になる。さらに、SCP法によってヘルムホルツ自由エネルギーを計算し、それを最小化するように結晶構造最適化を行うことで、有限温度における構造変化も予測できる。
開発した手法をチタン酸バリウムへ適用し、降温によって立方晶→正方晶→直方晶→菱面体晶と逐次相転移する様子を再現する事に成功した。また、構造に応じて敏感に変化する自発分極についても、実験結果を再現することに成功した。
開発した手法を用いることで、準調和近似に基づく従来のフォノン計算では不可能だった構造相転移のシミュレーションが可能になり、さらに高温相のフォノン分散が高い精度で予測できるため、誘電率、電気・熱伝導率、磁性などさまざまな物性におけるフォノン効果の解析に用いられている。今後は、本手法を用いた準安定機能材料の探索やスピン励起効果の導入による汎用性向上など、多方面への展開が期待できる。