Machine-learning-assisted design of multilayer films involving spin-orbit-induced magnetic, transport, and optical properties
| Project/Area Number |
21K03444
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 13030:Magnetism, superconductivity and strongly correlated systems-related
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| Research Institution | Mie University |
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Principal Investigator |
中村 浩次 三重大学, 工学研究科, 教授 (70281847)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2024: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2023: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2022: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
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| Keywords | 人工多層薄膜 / スピン軌道相互作用 / 第一原理計算 / 機械学習 |
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| Outline of Research at the Start |
第一原理計算と機械学習を用いた人工多層薄膜の材料設計手法を開発し、磁性3d金属やスピン軌道相互作用力の大きい5d重金属・貴金属、酸化物等から構成される様々な人工多層薄膜に対して、スピン軌道相互作用が絡む磁気・伝導・光物性が最大限になる人工多層薄膜を設計するための指針を構築する。また、その応用として、強い垂直磁気異方性かつ低いダンピング定数を持つ人工多層薄膜、電流・熱・光－スピン流の変換効率の高い人工多層薄膜、優れたスピンスイッチング性能を持つ人工多層薄膜、高速移動の磁壁やスキルミオンを示す人工多層薄膜などの材料設計指針も考察する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
１．全電子フルポテンシャル線形化補強平面波法（film-FLAPW法）のプログラム開発を行った。前年度は、スピンホール伝導度や角度依存X線磁気円二色性（XMCD）、NEB法の第一原理計算プログラムを完成させ、本年度は引き続き軌道ホール伝導度の第一原理計算プログラムを第二変分法及び線形応答理論に基づき開発した。
２．3d強磁性金属Coと5d重金属（Ta,W,Re,Os,Ir,Pt）の2層薄膜に対して、前年度に引き続き内因性のスピンホール伝導度と異常ホール伝導度の5d重金属種依存性と膜厚依存性を解析した。ベリー曲率及びスピンベリー曲率の計算から、両物性は5d重金属層の電子占有数により系統的に説明できること、しかし両物性の発生機構が異なることがわかった。スピンホール伝導度は5d重金属層内のバルクバンドに由来し、異常ホール伝導度はCo界面の磁気的近接効果により説明可能で、これらの予測はスピンデバイス材料開発に向けて一つの設計指針を供すると考えられる。
３．人工多層薄膜の材料設計に向けて、第一原理計算の限られた少数データから原子層配列と物性との関係を探索する材料設計手法を開発した。ガウスデータ拡張法とアンサンブル学習を取り入れたニューラルネットワークを実装し、例えば、前年度までに計算してきたMgO上のCoFe多層膜に対して、磁気モーメントと形成エネルギーが全原子層配列数の10～ 30%からなるトレーニングデータセットからほぼ予測することができること、この改善はニューラルネットワークにおける近似曲線の平滑化効果に起因するものであることがわかった。この手法はマテリアルズインフォマティクスに広く適用できるものと考えられる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究目的を達成させるための第一原理計算手法プログラムの開発を予定通り進めている。本年度は軌道ホール伝導度の計算を可能させ、NEB法や角度依存XMCD法のプログラムにおいても計算の大容量化・高速化を図るために並列化プログラムに改良した。材料設計手法開発に関しても、ガウスデータ拡張法とアンサンブル学習を取り入れたニューラルネットワークを実装し、第一原理計算の限られた少数データから材料設計を可能とするスモールデータ駆動型材料設計手法の開発の目途も得られた。以上のことから順調に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
前年度に引き続き、第一原理計算手法のプログラムを開発する。スピン軌道トルクを求める第一原理計算プログラムに対して、スピン磁気モーメントと軌道磁気モーメントに対する電気磁気効果感受率のプログラムの開発に目途が立っていることから、今後はトルクを計算するためのプログラムの開発にうつる。また、これまでに開発したプログラムを改良し、スピン及び軌道による異常ネルンストン効果の解析手法も検討する。その他、酸化物等の強相関系材料も対象にしていることから、補正（オンサイトクーロン相互作用補正+U等）が必要になってくるため、機械学習を利用して、パラメータUの導出方法について継続開発する。一方、第一原理計算には膨大な計算コストを削減するためのスモールデータ駆動型材料設計手法の開発を継続し、スピン軌道相互作用が絡む磁気・伝導・光物性を持つ人工多層薄膜の設計のための手法構築を行う。
応用面として、引き続き、3d強磁性金属と5d重金属を含む様々な人工多層膜の構造最適化を進め、スピン軌道相互作用が絡む磁気・伝導・光物性に関する物理的性質のデータを収集し、上述の手法を適用し、スピン軌道相互作用が絡む磁気・伝導・光物性が最大限になる人工多層薄膜の構造（元素種の組合せや積層配列など）の提案に移る。ここでは、スピントロニクス分野で重要なスピン・軌道磁気モーメント、交換相互作用力、結晶磁気異方性、ジャロシンスキー守谷相互作用力、電気・スピン流伝導度、異常・スピンホール伝導度、誘電率、光学伝導度、磁気光学カー効果、磁気ダンピング定数、スピン軌道トルク等の物理的性質を取り扱う。
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Report
(2 results)
Research Products
(36 results)
