Information extraction and experimental design in condensed-matter experiments based on high-performance computational statistics

• Project/Area Number: 20K20522
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 13:Condensed matter physics and related fields
• Research Institution: Okayama University
• Principal Investigator: Otsuki Junya 岡山大学, 異分野基礎科学研究所, 准教授 (60513877)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 中西 義典 同志社大学, 文化情報学部, 准教授 (00767296) ; 吉見 一慶 東京大学, 物性研究所, 特任研究員 (10586910) ; 横谷 尚睦 岡山大学, 異分野基礎科学研究所, 教授 (90311646)
• Project Period (FY): 2020-07-30 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥25,870,000 (Direct Cost: ¥19,900,000、Indirect Cost: ¥5,970,000); Fiscal Year 2022: ¥8,840,000 (Direct Cost: ¥6,800,000、Indirect Cost: ¥2,040,000); Fiscal Year 2021: ¥8,320,000 (Direct Cost: ¥6,400,000、Indirect Cost: ¥1,920,000); Fiscal Year 2020: ¥8,710,000 (Direct Cost: ¥6,700,000、Indirect Cost: ¥2,010,000)
• Keywords: 計算統計 / 圧縮センシング / スパースモデリング / コンプトン散乱 / フェルミ面 / フェルミオロジー / データ科学 / 角度分解光電子分光 / 強相関電子系

Outline of Research at the Start

大規模データを扱うデータ科学の方法や機械学習が進歩しており、物質探索にも応用され始めている。それでは、これらの新技術を応用して物性実験のデータから何か目に見えない情報を引き出すことはできないだろうか？本研究の目的は、物性実験から物理情報を抽出するため、高性能計算統計の方法論に基づく新しい解析手法を確立すること、また、その解析結果を実験にフィードバックさせた高効率な実験計画法を提案することである。それにより、実験と理論の定性的な比較というこれまでの研究から、解析の信頼度を担保した定量的な議論へと、実験データ解析に革新をもたらすことを目指す。

Outline of Final Research Achievements

Applying high-performance computational statistics, we have developed a new method of analyzing condensed-matter experimental data. Specifically, we focused on Compton scattering experiments. Compton scattering occurs when a material is irradiated with X-rays, and its data contain information on the momentum distribution of electrons in the material. Since this data is a projection of the momentum distribution onto the scattering axis, reconstruction similar to computerized tomography (CT) is required to obtain the momentum distribution itself. However, this reconstruction is difficult because the data obtained from the measurement is not sufficient. We proposed a new method based on the compressed sensing to reconstruct the momentum distribution with high accuracy.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

化合物中の電子の運動量分布あるいはその不連続面であるフェルミ面は、化合物の金属としての性質を特徴付ける重要な物理量である。本研究は、これまでフェルミ面の測定法としては応用が限られていたコンプトン散乱の可能性を広げるものであり、今後の応用が広がるものと期待される。また、本研究は計算統計を物性実験に応用した実例としての意義もあり、この方法論の物性実験への応用の広がりも期待される。

Research Products

• [Journal Article] sparse-ir: Optimal compression and sparse sampling of many-body propagators (2023)
  • Author(s): Wallerberger Markus、Badr Samuel、Hoshino Shintaro、Huber Sebastian、Kakizawa Fumiya、Koretsune Takashi、Nagai Yuki、Nogaki Kosuke、Nomoto Takuya、Mori Hitoshi、Otsuki Junya、Ozaki Soshun、Plaikner Thomas、Sakurai Rihito、Vogel Constanze、Witt Niklas、Yoshimi Kazuyoshi、Shinaoka Hiroshi
  • Journal Title: SoftwareX Volume: 21 Pages: 101266-101266
  • DOI: 10.1016/j.softx.2022.101266
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Photoelectron Holography Study of La(O,F)BiS₂ (2023)
  • Author(s): Li YaJun、Sun ZeXu、Kataoka Noriyuki、Setoguchi Taro、Hashimoto Yusuke、Takeuchi Soichiro、Koga Shunjo、Demura Satoshi、Noguchi Kanako、Sakata Hideaki、Mizuguchi Yoshikazu、Matsushita Tomohiro、Wakita Takanori、Muraoka Yuji、Yokoya Takayoshi
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 92 Issue: 4 Pages: 044801-044801
  • DOI: 10.7566/jpsj.92.044801
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Synthesis and Characterization of a Trigonal Layered Compound AgInS2 (2023)
  • Author(s): Sawahara Takahiro、Matsumoto Ryo、Nakahira Yuki、Usui Hidetomo、Kataoka Noriyuki、Saitou Ryusei、Wakita Takanori、Yokoya Takayoshi、Yamashita Aichi、Goto Yosuke、Takano Yoshihiko、Miura Akira、Mizuguchi Yoshikazu
  • Journal Title: ACS Omega Volume: 8 Issue: 12 Pages: 11288-11292
  • DOI: 10.1021/acsomega.2c08289
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Efficient ab initio many-body calculations based on sparse modeling of Matsubara Green's function (2022)
  • Author(s): Shinaoka Hiroshi、Chikano Naoya、Gull Emanuel、Li Jia、Nomoto Takuya、Otsuki Junya、Wallerberger Markus、Wang Tianchun、Yoshimi Kazuyoshi
  • Journal Title: SciPost Physics Lecture Notes Volume: 63 Pages: 1-27
  • DOI: 10.21468/scipostphyslectnotes.63
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Anomalously large spin-dependent electron correlation in the nearly half-metallic ferromagnet CoS2 (2022)
  • Author(s): H. Fujiwara, K. Terashima, J. Otsuki, N. Takemori、H. O. Jeschke、T. Wakitai、Y. Yano、W. Hosoda、N. Kataoka、A. Teruya、M. Kakihana、M. Hedo、T. Nakama、Y. Onuki、K. Yaji、A. Harasawa、K. Kuroda、S. Shin、K. Horiba、H. Kumigashira、Y. Muraoka、T. Yokoya
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 106 Issue: 8 Pages: 085114-085114
  • DOI: 10.1103/physrevb.106.085114
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Bayesian optimization package: PHYSBO (2022)
  • Author(s): Motoyama Yuichi、Tamura Ryo、Yoshimi Kazuyoshi、Terayama Kei、Ueno Tsuyoshi、Tsuda Koji
  • Journal Title: Computer Physics Communications Volume: 278 Pages: 108405-108405
  • DOI: 10.1016/j.cpc.2022.108405
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Incorporation Site and Valence State of Sn Atoms in Sn-Substituted La(O,F)BiS₂ Superconductor (2022)
  • Author(s): Li YaJun、Sun ZeXu、Kataoka Noriyuki、Setoguchi Taro、Hashimoto Yusuke、Takeuchi Soichiro、Koga Shunjo、Muro Takayuki、Demura Satoshi、Noguchi Kanako、Sakata Hideaki、Matsushita Tomohiro、Kawasaki Ikuto、Fujimori Shin-ichi、Wakita Takanori、Muraoka Yuji、Yokoya Takayoshi
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 91 Issue: 5 Pages: 054602-054602
  • DOI: 10.7566/jpsj.91.054602
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Photoelectron Diffraction and Holography Studies on Dopant Local Structures (2022)
  • Author(s): Yokoya Takayoshi
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 91 Issue: 9
  • DOI: 10.7566/jpsj.91.091007
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Robust analytic continuation combining the advantages of the sparse modeling approach and the Pade approximation (2022)
  • Author(s): Motoyama Yuichi、Yoshimi Kazuyoshi、Otsuki Junya
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 105 Issue: 3
  • DOI: 10.1103/physrevb.105.035139
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] DCore: Integrated DMFT software for correlated electrons (2021)
  • Author(s): Hiroshi Shinaoka, Junya Otsuki, Mitsuaki Kawamura, Nayuta Takemori, Kazuyoshi Yoshimi
  • Journal Title: SciPost Physics Volume: 10 Issue: 5
  • DOI: 10.21468/scipostphys.10.5.117
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 温度グリーン関数の情報圧縮に基づく高速量子多体計算法 (2021)
  • Author(s): 品岡寛, 近野直也, 野本拓也, 大槻純也, 吉見一慶
  • Journal Title: 固体物理 Volume: 56 Pages: 301-314
  • NAID: 40022625325
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] The Local Structure of the BiS2 Layer in RE(O,F)BiS2 Determined by In-Plane Polarized X-ray Absorption Measurements (2021)
  • Author(s): Pugliese G. M.、Tortora L.、Paris E.、Wakita T.、Terashima K.、Puri A.、Nagao M.、Higashinaka R.、Matsuda T. D.、Aoki Y.、Yokoya T.、Mizokawa T.、Saini N. L.
  • Journal Title: Physchem Volume: 1 Issue: 3 Pages: 250-258
  • DOI: 10.3390/physchem1030019
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Efficient ab initio Migdal-Eliashberg calculation considering the retardation effect in phonon-mediated superconductors (2020)
  • Author(s): Tianchun Wang, Takuya Nomoto, Yusuke Nomura, Hiroshi Shinaoka, Junya Otsuki, T. Koretsune, and Ryotaro Arita
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 102 Issue: 13 Pages: 134503-134503
  • DOI: 10.1103/physrevb.102.134503
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Spectral properties of heterostructures containing half-metallic ferromagnets in the presence of local many-body correlations (2020)
  • Author(s): Weh A.、Otsuki J.、Schnait H.、Evertz H. G.、Eckern U.、Lichtenstein A. I.、Chioncel L.
  • Journal Title: Physical Review Research Volume: 2 Issue: 4
  • DOI: 10.1103/physrevresearch.2.043263
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Robust surface structure analysis with reliable uncertainty estimation using the exchange Monte Carlo method (2020)
  • Author(s): Nagai Kazuki、Anada Masato、Nakanishi-Ohno Yoshinori、Okada Masato、Wakabayashi Yusuke
  • Journal Title: Journal of Applied Crystallography Volume: 53 Issue: 2 Pages: 387-392
  • DOI: 10.1107/s1600576720001314
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Multiplication Method for Fine-Tuning Regularization Parameter of a Sparse Modeling Technique Tentatively Optimized via Cross Validation (2020)
  • Author(s): Nakanishi-Ohno Yoshinori、Yamasaki Yuichi
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 89 Issue: 9 Pages: 094804-094804
  • DOI: 10.7566/jpsj.89.094804
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 機械学習を用いたコヒーレント回折パターンのノイズ除去 (2023)
  • Author(s): 石川卓門, 竹尾陽子, 木村隆志, 吉見一慶
  • Organizer: 日本物理学会 2023年春季大会
• [Presentation] ベイズ最適化を用いた有効模型推定ツール(BEEMs)の開発 (2023)
  • Author(s): 吉見 一慶, 田村 亮, 山地 洋平, 三澤 貴宏
  • Organizer: 日本物理学会 2023年春季大会
• [Presentation] ハーフメタルLa0.7Sr0.3MnO3の高分解能スピン分解光電子分光 (2023)
  • Author(s): 横谷尚睦, 片岡範行, 脇田高徳, 藤原弘和, 福島優斗, 川口海周, 田中宏明, 森亮, 原沢あゆみ, 近藤猛, 組頭広志, 村岡祐治
  • Organizer: 日本物理学会 2023年春季大会
• [Presentation] 角度分解光電子分光によるノーダルライン半金属LaTe1+xBi1-xのバンド分散 (2023)
  • Author(s): 齋藤竜聖, 片岡範行, 脇田高徳, 景山晴加, 近藤隆祐, 野上由夫, 田中清尚, 横谷尚睦
  • Organizer: 日本物理学会 2023年春季大会
• [Presentation] Multipolar susceptibilities within dynamical mean-field theory and its application to CeB6 (2022)
  • Author(s): J. Otsuki
  • Organizer: Simon's collaboration lecture (Online)
  • Invited
• [Presentation] 層状窒化塩化物電子ドープTiNClの電子構造研究 (2022)
  • Author(s): 片岡範行, 田中将嗣, 瀬戸口太朗, Li Ya jun, 川崎郁斗, 藤森伸一, 脇田高徳, 横谷尚睦
  • Organizer: 日本物理学会 2022年秋季大会
• [Presentation] ROBiS2 (R=La, Ce, Nd)の電子状態に対するRサイト置換効果 (2022)
  • Author(s): 片岡範行, 花田祐二, 長尾雅則, 脇田高徳, 横谷尚睦
  • Organizer: 日本物理学会 2022年秋季大会
• [Presentation] VUV-ARPESによるハーフメタル強磁性体CrO2の電子構造 (2022)
  • Author(s): 瀬戸口太朗, 片岡範行, Shiv Kumar, 出田真一郎, 島田賢也, 脇田高徳, 村岡祐治, ○横谷尚睦
  • Organizer: 日本物理学会 2022年秋季大会
• [Presentation] 圧縮センシングによるコンプトン散乱データからのフェルミ面再構成と実験計画 (2022)
  • Author(s): 大槻純也，吉見一慶，中西（大野）義典，M. Sekania，L. Chioncel，水牧仁一朗
  • Organizer: 日本物理学会 第77回年次大会（オンライン開催）
• [Presentation] FLEX calculations for κ-(BEDT-TTF)2X charge transfer salts (2022)
  • Author(s): 清水真, D. Guterding, 大槻純也, H. O. Jeschke
  • Organizer: 日本物理学会 第77回年次大会（オンライン開催）
• [Presentation] ハーフメタル候補物質CoS2における巨大スピン依存電子相関 (2022)
  • Author(s): 藤原弘和, 寺嶋健成, 大槻純也, 竹森那由多, H. O. Jeschke, 脇田高徳, 矢野佑幸, 細田渉, 片岡範行, 照屋淳志, 垣花将司, 辺土正人, 仲間隆男, 大貫惇睦, 矢治光一郎, 原沢あゆみ, 黒田健太, 辛埴, 堀場弘司, 組頭広志, 村岡祐治, 横谷尚睦
  • Organizer: 日本物理学会 第77回年次大会（オンライン開催）
• [Presentation] スパースモデリングを活用した多軌道系への解析接続手法の検証 (2022)
  • Author(s): 本山裕一, 吉見一慶, 大槻純也
  • Organizer: 日本物理学会 第77回年次大会（オンライン開催）
• [Presentation] Si 3pバンドの共鳴光電子放出 (2022)
  • Author(s): 脇田高徳, 村岡祐治, 横谷尚睦
  • Organizer: 日本物理学会 第77回年次大会（オンライン開催）
• [Presentation] 高品質CrO2薄膜の表面電子状態観測 (2022)
  • Author(s): 瀬戸口太朗, 片岡範行, 藤原弘和, 村岡祐治, 横谷尚睦
  • Organizer: 日本物理学会 第77回年次大会（オンライン開催）
• [Presentation] Pb置換La(O,F)BiS2超伝導体における電子状態の温度依存性 (2022)
  • Author(s): 片岡範行, Li Yajun, 瀬戸口太朗, 出村郷志, 坂田英明, 川崎郁斗, 藤森伸一, 田中清尚, 脇田高徳, 村岡祐治, 横谷尚睦
  • Organizer: 日本物理学会 第77回年次大会（オンライン開催）
• [Presentation] Compressed sensing in scanning tunneling spectroscopy (2022)
  • Author(s): Yoshinori Nakanishi-Ohno
  • Organizer: The 11th Conference of the Asian Regional Section of the International Association for Statistical Computing (IASC-ARS)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 圧縮センシングを用いたコンプトン散乱運動量密度３次元再構成 (2021)
  • Author(s): 大槻純也
  • Organizer: 第71回SPring-8先端利用技術ワークショップ/第3回データ駆動科学によるデータ解析高度化（SPring-8, オンライン開催）
  • Invited
• [Presentation] 強相関電子系におけるスパースモデリング (2021)
  • Author(s): 大槻純也
  • Organizer: 物性コロキウム（東北大学）
  • Invited
• [Presentation] 強相関電子系におけるスパースモデリングと圧縮センシング (2021)
  • Author(s): 大槻純也
  • Organizer: 第9回 情報計測オンラインセミナー（オンライン開催）
  • Invited
• [Presentation] コンプトン散乱データからのフェルミ面再構成：圧縮センシングの応用 (2021)
  • Author(s): 大槻純也，吉見一慶，中西（大野）義典，M. Sekania，L. Chioncel，水牧仁一朗
  • Organizer: 日本物理学会 2021年秋季大会（オンライン開催）
• [Presentation] グリーン関数の解析接続ソフトウェア SpM version2 (2021)
  • Author(s): 本山裕一, 吉見一慶, 大槻純也, 品岡寛
  • Organizer: 日本物理学会 2021年秋季大会（オンライン開催）
• [Presentation] ベイズ最適化パッケージPHYSBOとその応用例 (2021)
  • Author(s): 田村亮, 本山裕一, 吉見一慶, 寺山慧, 植野剛, 津田宏治
  • Organizer: 日本物理学会 2021年秋季大会（オンライン開催）
• [Presentation] オートエンコーダを用いた二次元イジング模型における相推定器の精度検証 (2021)
  • Author(s): 塩崎康平, 吉見一慶, 荒畑恵美子
  • Organizer: 日本物理学会 2021年秋季大会（オンライン開催）
• [Presentation] Local structure study of Sn-substituted La(O,F)BiS2 superconductor using photoelectron holography (2021)
  • Author(s): Y.J. Li, Z.X. Sun, N. Kataoka, T. Setoguchi, S. Takeuchi, Y. Hashimoto, T. Muro, S. Demura, K. Noguchi, H. Sakata, Y. Muraoka, T. Matsushita, T. Yokoya, "
  • Organizer: Material Research Meeting 2021, Yokohama, Japan, Hybrid 開催
• [Presentation] 層状窒化塩化物 NaxTiNCl の硬 X 線光電子分光 (2021)
  • Author(s): "片岡範行, 田中将嗣, 松本美香, Li Ya jun, 高木康多, 保井晃, 脇田高徳, 村岡祐治, 横谷尚 睦 "
  • Organizer: 日本物理学会 2021年秋季大会（オンライン開催）
• [Presentation] 層状超伝導体 LnO0.5F0.5BiS2(Ln = La, Ce, Pr and Nd)の 4d-4f 共鳴光電子分光 (2021)
  • Author(s): 脇田高徳, 矢野佑幸, 寺嶋健成,水口佳一, 星和久, 後藤陽介, 村岡祐治, 横谷尚睦
  • Organizer: 日本物理学会 2021年秋季大会（オンライン開催）
• [Presentation] La2O2Bi2Pb2S6-xSexの電子構造研究 (2021)
  • Author(s): 片岡範行, 寺嶋健成, 水口佳一, 高野義彦, 脇田高徳, 村岡祐治, 横谷尚睦
  • Organizer: 日本物理学会 2021年秋季大会（オンライン開催）
• [Presentation] Photoelectron holography study of Sn-substituted La(O,F)BiS2 superconductor (2021)
  • Author(s): Y.J. Li, Z.X. Sun, N. Kataoka, S. Takeuchi, T. Setoguchi, Y. Hashimoto, T. Muro, S. Demurra, K. Noguchi, H. Sakata, T. Matsushita, Y. Muraoka, T. Yokoya
  • Organizer: 日本物理学会 2021年秋季大会（オンライン開催）
• [Presentation] Photoelectron holography of Sn-substituted La(O,F)BiS2 superconductor(II) (2021)
  • Author(s): Y.J. Li, Z.X. Sun, N. Kataoka, S. Takeuchi, T. Setoguchi, Y. Hashimoto, T. Muro, S. Demurra, K. Noguchi, H. Sakata, T. Matsushita, Y. Muraoka, T. Yokoya
  • Organizer: 日本物理学会 2021年秋季大会（オンライン開催）
• [Presentation] ハーフメタル候補物質CoS2のスピン分解電子構造 (2021)
  • Author(s): 藤原弘和, 寺嶋健成, 脇田高徳, 矢野佑幸, 細田渉, 片岡範行, 照屋淳志, 垣花将司, 辺土正人, 仲間隆男, 大貫惇睦, 矢治光一郎, 原沢あゆみ, 黒田健太, 辛埴, 堀場弘司, 組頭広志, 大槻純也, 竹森那由多, H.O. Jeschke, 村岡祐治, 横谷尚睦
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] 層状窒化ハロゲン化物の電子構造 (2021)
  • Author(s): 片岡範行, 田中将嗣, 脇田高徳, 村岡祐治, 横谷尚睦
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] 共役変数を用いたガウス過程回帰の再定式化と統計物理的解析 (2021)
  • Author(s): 長野泰志, 中西(大野)義典, 福島孝治
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] 物性研究分野でのオープンソースソフトウェア開発・高度化プロジェクトの紹介 (2021)
  • Author(s): 吉見一慶
  • Organizer: 第13回K-CONNEX研究会
  • Invited
• [Presentation] 第一原理有効ハミルトニアンに基づいた鉄系超伝導体の超伝導転移温度の予測器構築 (2021)
  • Author(s): 井戸康太、本山裕一、三澤貴宏、吉見一慶
  • Organizer: 物性科学におけるデータ科学の今と未来
• [Presentation] ベイズ最適化パッケージ PHYSBO (2021)
  • Author(s): 本山裕一、吉見一慶、川島直輝、田村亮、寺山慧、植野剛、津田宏治
  • Organizer: 物性科学におけるデータ科学の今と未来
• [Presentation] シミュレーションデータを教師とした機械学習によるBose原子気体超流動の温度推定 (2021)
  • Author(s): 伊藤義土, 吉見一慶, 二国徹郎, 荒畑恵美子
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] 動的平均場理論による非局所相関の計算とGPU化 (2020)
  • Author(s): 大槻純也
  • Organizer: 物性研究所スパコン共同利用・CCMS合同研究会「計算物質科学の新展開2020」
  • Invited
• [Presentation] Efficient ab initio Migdal-Eliashberg calculation considering the retardation effect in phonon-mediated superconductors (2020)
  • Author(s): Tianchun Wang, Takuya Nomoto, Yusuke Nomura, Hiroshi Shinaoka, Junya Otsuki, Takashi Koretsune, Ryotaro Arita
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] ガウス過程回帰の摂動論的近似 (2020)
  • Author(s): 長野泰志, 中西(大野)義典, 福島孝治
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] ガウス過程回帰の摂動論的近似 (2020)
  • Author(s): 長野泰志, 中西(大野)義典, 福島孝治
  • Organizer: 第23回情報論的学習理論ワークショップ
• [Presentation] スパースモデリングを用いた解析接続と圧縮基底の応用 (2020)
  • Author(s): 吉見一慶
  • Organizer: 東京大学物性研究所 機械学習セミナー