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Development of coercive force theory by eXtended Landau Free Energy (XLFE)

Research Project

Project/Area Number 21H04656
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (A)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Medium-sized Section 29:Applied condensed matter physics and related fields
Research InstitutionTokyo University of Science

Principal Investigator

小嗣 真人  東京理科大学, 先進工学部マテリアル創成工学科, 教授 (60397990)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 大河内 拓雄  兵庫県立大学, 高度産業科学技術研究所, 教授 (00435596)
平岡 裕章  京都大学, 高等研究院, 教授 (10432709)
三俣 千春  東京理科大学, 先進工学部マテリアル創成工学科, 客員教授 (70600542)
Project Period (FY) 2021-04-05 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help
¥42,900,000 (Direct Cost: ¥33,000,000、Indirect Cost: ¥9,900,000)
Fiscal Year 2024: ¥7,280,000 (Direct Cost: ¥5,600,000、Indirect Cost: ¥1,680,000)
Fiscal Year 2023: ¥7,280,000 (Direct Cost: ¥5,600,000、Indirect Cost: ¥1,680,000)
Fiscal Year 2022: ¥7,280,000 (Direct Cost: ¥5,600,000、Indirect Cost: ¥1,680,000)
Fiscal Year 2021: ¥21,060,000 (Direct Cost: ¥16,200,000、Indirect Cost: ¥4,860,000)
Keywords機械学習 / ランダウ理論 / 磁区構造解析 / パーシステントホモロジー / 磁区構造 / 自由エネルギー / 因果解析 / 保磁力
Outline of Research at the Start

本研究は、電気自動車の駆動性能の要となる電磁鋼板の保磁力メカニズムの解明を目的とし、磁気物理と数理科学の融合によって、保磁力を説明する自由エネルギーの新しい数理モデルを定める。物理に根差した記述子を活用することで、ランダウ模型で困難だった磁化の空間不均一性を記述でき、説明能力と予測性能を併せ持つ「拡張型ランダウ自由エネルギーモデル」を創出する。磁化反転現象の背後にあるエネルギー地形の鞍点挙動を定式化し、保磁力の論理的な因果解析手法を実現する。

Outline of Annual Research Achievements

今年度は、パーシステントホモロジーと機械学習と自由エネルギーを融合することで、「拡張型ランダウ自由エネルギーモデル」の基本原理を構築することができた。本モデルをLLGの磁区構造に適用することで、磁区構造の自動的な解釈を実行することができた。
磁区構造データは、保磁力や磁化反転など、省エネルギーな磁性体の機能を特徴付ける重要な情報となる。しかしナノスケールの磁性体では複雑な相互作用を示すため、人間の目ではメカニズムの理解や場所の特定がむずかしく、デバイス設計はトライ&エラーの繰り返しであった。
今年度の研究では、トポロジーとデータサイエンスを融合した「拡張型ランダウ自由エネルギーモデル」を作成し、磁区構造データの解釈を自動化することができた。具体的には、パーシステントホモロジーと呼ばれるトポロジーの概念を用いて、複雑な磁区構造を特徴量として抽出した。次に解釈性の高い機械学習を用いて、情報空間上に新たなエネルギーランドスケープを描画し、「拡張型ランダウ自由エネルギーモデル」を作成した。これによって、ミクロな磁区構造とマクロな磁化反転現象を階層を超えて双方向接続でき、さらには起源となる物理的相互作用を定量的に解析できる。
その結果、ナノ磁性体の磁化反転過程は、反磁界効果に支配されていることが明らかとなり、磁化反転を妨げているエネルギー障壁の空間的な集中を可視化することに成功することができた。本モデルは、物理学にねざした説明能力の高いAIモデルで、メカニズムが未解明なさまざまな材料に展開可能なものと期待される。成果はScientific Reports誌を始め5報の論文として纏められた。来年度はエントロピー項や実材料など、より現実的な系での応用研究を行い、解析手法の社会実装につなげる。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

2023年度前期分の研究計画を2022年度内に実施することができており、論文成果も順調に発信できているため。

Strategy for Future Research Activity

今年度はエネルギー項としてエントロピーの項を追加して解析する予定にしている。温度ステージおよび磁区構造計測システムの整備を行い、大規模磁区構造データの解析をおこなう。磁区構造からエントロピー項の解析をおこない、温度との積を取ることで自由エネルギーに算入する。拡張型ランダウ自由エネルギーのモデリングを行い、有限温度下における磁化反転機構の解析を実施する。

Report

(3 results)
  • 2022 Annual Research Report
  • 2021 Comments on the Screening Results   Annual Research Report
  • Research Products

    (43 results)

All 2023 2022 2021 Other

All Journal Article (5 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Peer Reviewed: 5 results,  Open Access: 5 results) Presentation (34 results) (of which Int'l Joint Research: 5 results,  Invited: 14 results) Remarks (4 results)

  • [Journal Article] Interpretation of Kronmüller Formula using Ginzburg-Landau Theory2022

    • Author(s)
      Mitsumata C.、Kotsugi M.
    • Journal Title

      Journal of the Magnetics Society of Japan

      Volume: 46 Issue: 5 Pages: 90-96

    • DOI

      10.3379/msjmag.2209R001

    • ISSN
      1882-2924, 1882-2932
    • Year and Date
      2022-09-01
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    • Author(s)
      Kunii Sotaro、Foggiatto Alexandre Lira、Mitsumata Chiharu、Kotsugi Masato
    • Journal Title

      Science and Technology of Advanced Materials: Methods

      Volume: 2 Pages: 445-459

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    • Author(s)
      Foggiatto Alexandre Lira、Kunii Sotaro、Mitsumata Chiraru、Kotsugi Masato
    • Journal Title

      Communications Physics

      Volume: 5 Issue: 1 Pages: 277-277

    • DOI

      10.1038/s42005-022-01054-3

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    • Author(s)
      Kunii Sotaro、Masuzawa Ken、Fogiatto Alexandre Lira、Mitsumata Chiharu、Kotsugi Masato
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 12 Issue: 1 Pages: 19892-19892

    • DOI

      10.1038/s41598-022-21971-1

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    • Author(s)
      K. Masuzawa, S. Kunii, A. Foggiatto, C. Mitsumata, M. Kotsugi
    • Journal Title

      T. Magn. Soc. Japan.

      Volume: 6 Pages: 1-9

    • NAID

      130008144416

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      谷脇三千輝、Foggiatto Alexandre、三俣千春、山崎貴大、大林一平、平岡裕章、五十嵐康彦、水鳥雄太、Sepehri Hossein、大久保忠勝、小嗣真人
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      応用物理学会
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      小嗣真人
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      増澤 賢,A. L. Foggiatto,三俣千春,小嗣真人,
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      日本磁気学会
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  • [Presentation] 拡張エネルギー地形モデルに基づく保磁力とエネルギーメカニズムの解釈2022

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      Alexandre Lira Foggiatto,國井創大郎,三俣千春,小嗣真人
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      日本磁気学会
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  • [Presentation] Kronmuller式とランダウ理論―自由エネルギー地形による保磁力表現 (1)―2022

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      三俣千春,小嗣真人
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      日本磁気学会
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  • [Presentation] Kronmuller式とランダウ理論―自由エネルギー地形による保磁力表現 (2)―2022

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      三俣千春,小嗣真人
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      日本磁気学会
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      A. L. Foggiatto, S. Kunii, M. Okada, C. Mitsumata and M. Kotsugi
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      The 22nd International Vacuum Congress (IVC-22)
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      M. Kotsugi
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  • [Presentation] トポロジカルデータ解析による磁性材料の機能解析:物理モデル構築からデバイス逆設計まで2022

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      小嗣真人
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  • [Presentation] 拡張型自由エネルギーモデルによる物質機能のナノ構造の双方向接続2022

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      小嗣真人
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      小嗣真人
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      日本学術振興会, R026先端計測技術の将来設計委員会
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      大阪大学数理・データ科学教育研究センター(MMDS) AI・データ利活用研究会
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      増澤 賢, 國井創大郎, Foggiatto Alexandre, 三俣千春, 小嗣真人
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      応用物理学会
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      國井創大郎, 増澤賢, Alexandre Lira Foggiatto, 三俣千春, 小嗣真人
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  • [Presentation] 拡張型ランダウ自由エネルギーモデルに基づく迷路状磁区の保磁力メカニズム解析2021

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      増澤賢, 國井創大郎, Alexandre Lira Foggiatto, 三俣千春, 小嗣真人
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      A. L. Foggiatto , H. Aoki , S. Kunii , N. Oki , T. Yamada , I. Obayashi, K. Akagi, Y. Hiraoka, M. Kotsugi
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      Conference on a FAIR data infrastructure for materials genomics (FAIR-DI)
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      M. Kotsugi
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      https://www.tus.ac.jp/today/archive/20210527_0234.html

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URL: 

Published: 2021-04-28   Modified: 2024-06-24  

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