コヒーレントフォノン信号の疎性モデリング解析による光誘起構造変化へのアプローチ

• Project Area: Initiative for High-Dimensional Data-Driven Science through Deepening of Sparse Modeling
• Project/Area Number: 16H01552
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: Kumamoto University
• Principal Investigator: 赤井 一郎 熊本大学, パルスパワー科学研究所, 教授 (20212392)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2018-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2017)
• Budget Amount: ¥7,020,000 (Direct Cost: ¥5,400,000、Indirect Cost: ¥1,620,000); Fiscal Year 2017: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000); Fiscal Year 2016: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000)
• Keywords: データ駆動科学 / マテリアルズインフォマティクス / ベイズ分光 / スパースモデリング / コヒーレントフォノン / 光物性 / ベイズ推定 / マテリアルズインフォマティックス

Outline of Annual Research Achievements

光誘起構造変化は光で協調的な構造変化を引き起こす現象で、そのダイナミクス解明は光物性分野の主命題である。その中でコヒーレントフォノン(CP)計測法は、そのダイナミクスを振動モードの時系列変化として捉えることが可能である。
当該年度では、初年度にCP信号解析で実績を上げたベイズ推定を様々な光誘起現象のスペクトル分解解析(ベイズ分光)に適用するとともに、仮想計測解析(VMA)にも取り組んだ。その結果、タイプII超格子半導体において、光誘起の高密度相である電子正孔液滴状態が安定化することを統計的確証とともに示した。VMAでは、CP信号のモード解析におけるノイズ耐性と、スペクトル分解における均一幅と不均一幅の競合と分離の可能性について明らかにした。
一方スパースモデリング(SpM)については、CP信号の解析において、モード振幅のスパース性を取り入れた動的モード分解(SpDMD: Sparsity-promoting Dynamic Mode Decomposition)を適用した。その結果、実験データにおいて、物質固有の2つの固有モードに加え実験的アーティファクトであるベース信号の揺らぎとポンプレーザー由来のスパイク応答までも自動的に分解・抽出が出来ることを示した。また、その様なCP信号を想定した人工データを対象にして、SpDMDで推定される振動モードパラメータの推定精度を評価した。その結果、CP信号の励振機構の同定で重要な振動初期位相が、高精度に推定できることを示した。
またSpDMDで用いたSpMは振動性の信号で有効に機能することから、放射光を用いて計測される広域X線吸収微細構造(EXAFS)の振動性波形の解析に適用させた。今後これらの実績に基づき、様々なCP信号の解析やEXAFS信号の解析にSpMを適用させ、データ駆動科学の発展に寄与する。

Research Progress Status

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Bayesian Spectroscopy of Admixed Photoluminescence Spectra with Exciton, Biexciton and Electron Hole Droplet States in a GaAs/AlAs Type-II Superlattice (2018)
  • Author(s): K. Iwamitsu、Y. Furukawa、M. Nakayama、M. Okada、I. Akai
  • Journal Title: Journal of Luminescence Volume: 197 Pages: 18-22
  • DOI: 10.1016/j.jlumin.2018.01.002
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Analysis of Coherent Phonon Signals by Sparsity-promoting Dynamic Mode Decomposition (2018)
  • Author(s): S. Murata、S. Aihara、S. Tokuda、K. Iwamitsu、K Mizoguchi、I. Akai、M. Okada
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 87 Issue: 5 Pages: 054003-054003
  • DOI: 10.7566/jpsj.87.054003
  • NAID: 210000134811
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Bayesian spectroscopy in solid-state photo-physics (2018)
  • Author(s): I. Akai, K. Iwamitsu, M. Okada
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: in press Pages: 1-13
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] ベイズ推定による直線回帰解析の再考I (2017)
  • Author(s): 山代哲也、有嶋駿士郎、切通愛莉紗、岩満一功、赤井一郎
  • Journal Title: 第28回光物性研究会論文集 Volume: 1 Pages: 115-118
• [Journal Article] ベイズ分光を用いた固体材料のデータ解析 (2017)
  • Author(s): 岩満一功、岡田真人、赤井一郎
  • Journal Title: 第28回光物性研究会論文集 Volume: 1 Pages: 119-122
• [Journal Article] Cu2O薄膜結晶における黄色1Sオルソ励起子発光強度の偏光依存性とそのベイズ分光 (2017)
  • Author(s): 切通愛莉紗、有嶋駿士郎、岩満一功 、赤井一郎
  • Journal Title: 第28回光物性研究会論文集 Volume: 1 Pages: 127-130
• [Journal Article] High precision modeling of a damped oscillation in coherent phonon signals by Bayesian inference (2017)
  • Author(s): S. Aihara, M. Hamamoto, K. Iwamitsu, M. Okada, I. Akai
  • Journal Title: AIP Adv. Volume: 7 Issue: 4
  • DOI: 10.1063/1.4980021
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Bayesian Analysis of an Excitonic Absorption Spectrum in a Cu2O Thin Film Sandwiched by Paired MgO Plates (2016)
  • Author(s): K. Iwamitsu, S. Aihara, M. Okada, I. Akai
  • Journal Title: J. Phys. Soc. Japan Volume: 85 Issue: 9 Pages: 1-4
  • DOI: 10.7566/jpsj.85.094716
  • NAID: 210000134099
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] 広域X線吸収微細構造のスパースモデリング (2016)
  • Author(s): 赤井一郎、岡島敏浩、平井康晴、岡田真人
  • Journal Title: 第27回光物性研究会論文集 Volume: - Pages: 55-58
• [Journal Article] GaAs/AlAsタイプII超格子での定常発光スペクトルのベイズ解析 (2016)
  • Author(s): 岩満一功、古川喜彬、中山正昭、徳田 悟、 岡田真人、赤井一郎
  • Journal Title: 第27回光物性研究会論文集 Volume: - Pages: 147-150
• [Journal Article] MgO基板に挟まれたCu2O薄膜結晶の発光スペクトルとその偏光依存性 (2016)
  • Author(s): 郡司昂弥、相原慎吾、切通愛莉紗、堤 優太、岩満一功、 市川聡夫、 赤井一郎
  • Journal Title: 第27回光物性研究会論文集 Volume: - Pages: 195-198
• [Journal Article] ベイズ推定によるCu2O薄膜における励起子発光のスペクトル分解 (2016)
  • Author(s): 切通愛莉紗、堤 優太、郡司昂弥、相原慎吾、岩満一功、 徳田 悟、 岡田真人、赤井一郎
  • Journal Title: 第27回光物性研究会論文集 Volume: - Pages: 199-202
  • NAID: 130006709288
• [Journal Article] 原子層厚グラフェンのX線光電子スペクトルのレプリカ交換モンテカルロ法によるスペクト ル分解 (2016)
  • Author(s): 有嶋駿士郎、岩満一功、相原慎吾、高橋和敏、 徳田 悟、岡田真人、 赤井一郎
  • Journal Title: 第27回光物性研究会論文集 Volume: - Pages: 219-222
  • NAID: 130006709400
• [Journal Article] SpDMDによるコヒーレントフォノン信号のモード分解解析 (2016)
  • Author(s): 相原慎吾、村田 伸、徳田 悟、溝口幸司、 岡田真人、赤井一郎
  • Journal Title: 第27回光物性研究会論文集 Volume: - Pages: 307-310
• [Presentation] 原子層厚グラフェンX線光電子スペクトルのベイズ分光 (2018)
  • Author(s): 有嶋駿士郎, 岩満一功, 高橋和敏, 岡田真人, 赤井一郎
  • Organizer: 日本物理学会 第73回年次大会 22aPS-79
• [Presentation] レプリカ交換モンテカルロ法によるCu2O薄膜結晶の励起子発光偏光特性のベイズ分光 (2018)
  • Author(s): 水牧仁一朗, 切通愛莉沙, 有嶋駿士郎, 岩満一功, 岡田真人, 赤井一郎
  • Organizer: 日本物理学会 第73回年次大会 22aPS-85
• [Presentation] ベイズ分光を用いたGaAs/AlAsタイプII超格子における高密度励起状態の時間分解発光スペクトル解析 (2018)
  • Author(s): 岩満一功, 中山正昭, 岡田真人, 赤井一郎
  • Organizer: 日本物理学会 第73回年次大会 22aPS-90
• [Presentation] ベイズ分光の基礎：直線回帰解析の再考 (2018)
  • Author(s): 山代哲也, 有嶋駿士郎, 切通愛莉紗, 岩満一功, 赤井一郎
  • Organizer: 日本物理学会 第73回年次大会 22aPS-109
• [Presentation] データ駆動科学に基づく光物性研究 (2018)
  • Author(s): 赤井一郎, 岩満一功, 岡田真人
  • Organizer: 日本物理学会 第73回年次大会 23pK502-1
• [Presentation] 先端物性計測におけるデータ駆動科学 (2018)
  • Author(s): 赤井一郎
  • Organizer: 兵庫県立大学・第６回放射光産業利用支援講座
  • Invited
• [Presentation] 光物性・放射光計測とデータ駆動科学の融合 (2018)
  • Author(s): 赤井一郎
  • Organizer: 2018年超高分解能顕微鏡法分科会・研究会
  • Invited
• [Presentation] EXAFSスペクトルのスパースモデリング-I (2018)
  • Author(s): 赤井一郎, 岩満一功, 五十嵐康彦, 岡田真人, 岡島敏浩, 平井康晴
  • Organizer: 第31回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム 4D003
• [Presentation] EXAFSスペクトルのスパースモデリング-II (2018)
  • Author(s): 瀬戸山寛之, 赤井一郎, 岩満一功, 五十嵐康彦, 岡田真人, 岡島敏浩, 平井康晴
  • Organizer: 第31回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム 4D004
• [Presentation] ベイズ分光による原子層厚グラフェン・X線光電子スペクトルのスペクトル分解 (2018)
  • Author(s): 有嶋駿士郎, 岩満一功, 高橋和敏, 岡田真人, 赤井一郎
  • Organizer: 第31回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム 10P038
• [Presentation] データ駆動科学に基づく光物性研究 (2017)
  • Author(s): 赤井一郎
  • Organizer: 新学術領域「疎性モデリング」第5回公開シンポジウム
• [Presentation] ベイズ推定による直線回帰解析の再考I (2017)
  • Author(s): 山代哲也、有嶋駿士郎、切通愛莉紗、岩満一功、赤井一郎
  • Organizer: 第28回光物性研究会 IB-28
• [Presentation] ベイズ分光を用いた固体材料のデータ解析 (2017)
  • Author(s): 岩満一功、岡田真人、赤井一郎
  • Organizer: 第28回光物性研究会 IB-29
• [Presentation] Cu2O薄膜結晶における黄色1Sオルソ励起子発光強度の偏光依存性とそのベイズ分光 (2017)
  • Author(s): 切通愛莉紗、有嶋駿士郎、岩満一功、赤井一郎
  • Organizer: 第28回光物性研究会 IB-31
• [Presentation] 光物性におけるデータ駆動科学 (2017)
  • Author(s): 赤井一郎
  • Organizer: 第273回SPring-8セミナー
  • Invited
• [Presentation] 光物性におけるデータ駆動科学 (2017)
  • Author(s): 赤井一郎
  • Organizer: 「MI2 新材料探索のためのデータ科学」チュートリアルセミナー・第6回 計測インフォマティクス
  • Invited
• [Presentation] スパースモデリングによる広域X線吸収微細構造の新規解析法II (2017)
  • Author(s): 赤井一郎, 岩満一功, 五十嵐康彦, 岡田真人, 岡島敏浩, 平井康晴
  • Organizer: 日本物理学会2017年秋季大会 22aB21-6
• [Presentation] 原子層厚グラフェンのX線光電子スペクトルのベイズ推定とモデル選択 (2017)
  • Author(s): 有嶋駿士郎, 岩満一功, 高橋和敏, 岡田真人, 赤井一郎
  • Organizer: 日本物理学会2017年秋季大会 23pPSA-24
• [Presentation] Cu2O薄膜における黄色1S ortho励起子発光強度の偏光依存性とそのベイズ推定(1) (2017)
  • Author(s): 切通愛莉紗, 岩満一功, 赤井一郎
  • Organizer: 日本物理学会2017年秋季大会 23pPSA-29
• [Presentation] Cu2O薄膜における黄色1S ortho励起子発光強度の偏光依存性とそのベイズ推定(2) (2017)
  • Author(s): 切通愛莉紗, 岩満一功, 赤井一郎
  • Organizer: 日本物理学会2017年秋季大会 23pPSA-30
• [Presentation] EXAFSスペクトルのスパースモデリング (2017)
  • Author(s): 赤井一郎、岩満一功、五十嵐康彦、岡田真人、岡島敏浩、平井康晴
  • Organizer: 物質・材料研究機構/九州シンクロトロン光研究センター合同シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] 放射光計測とデータ駆動科学の融合－EXAFS解析を中心に－ (2017)
  • Author(s): 赤井一郎、岩満一功、五十嵐康彦、岡田真人、岡島敏浩、平井康晴
  • Organizer: 第20回XAFS討論会
  • Invited
• [Presentation] ベイズ推定によるコヒーレントフォノン減衰振動の高精度モデリング (2017)
  • Author(s): 赤井一郎, 岩満一功, 岡田真人
  • Organizer: 新学術領域「疎性モデリング」2017年度第1回公開シンポジウム
• [Presentation] EXAFS(広域X線吸収微細構造)のスパースモデリング (2017)
  • Author(s): 赤井一郎, 岩満一功, 五十嵐康彦, 岡田真人, 岡島敏浩, 平井康晴
  • Organizer: 2017年度人工知能学会全国大会 2I4-OS-10b-1
• [Presentation] SpDMDによるコヒーレントフォノンの減衰振動モード分解 (2017)
  • Author(s): 岩満一功, 相原慎吾, 溝口幸司, 五十嵐康彦, 村田 伸, 岡田真人, 赤井一郎
  • Organizer: 2017年度人工知能学会全国大会 2I2-1
• [Presentation] Bayesian Spectroscopy for Spectral and Normal Mode Analyses in Solid-State Materials (2017)
  • Author(s): K. Iwamitsu, M. Okada, I. Akai
  • Organizer: International Symposium on Kumamoto Synchrotron Radiation (ISKSR5)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Bayesian spectroscopy of excitonic photoluminescence spectra in Cu2O thin crystals (2017)
  • Author(s): A. Kiridoshi, S. Arishima, M. Mizumaki, K. Iwamitsu, I. Akai
  • Organizer: International Symposium on Kumamoto Synchrotron Radiation (ISKSR5)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Bayesian spectroscopy of x-ray photoelectron spectra in graphenes having atomic thicknesses on SiC substrates (2017)
  • Author(s): S. Arishima, K. Iwamitsu, K. Takahashi, M. Okada, I. Akai
  • Organizer: International Symposium on Kumamoto Synchrotron Radiation (ISKSR5)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Bayesian spectroscopy in solid-state photo-physics (2017)
  • Author(s): I. Akai, K. Iwamitsu, M. Okada
  • Organizer: International Meeting on "High-Dimensional Data-Driven Science" (HD3-2017)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Bayesian spectroscopy for spectral and normal mode analyses in solid-state materials (2017)
  • Author(s): K. Iwamitsu, M. Okada, I. Akai
  • Organizer: International Meeting on "High-Dimensional Data-Driven Science" (HD3-2017)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Bayesian spectroscopy of x-ray photoelectron spectra in graphenes having atomic thicknesses on SiC substrates (2017)
  • Author(s): S. Arishima, K. Iwamitsu, K. Takahashi, M. Okada, I. Akai
  • Organizer: International Meeting on "High-Dimensional Data-Driven Science" (HD3-2017)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Bayesian spectroscopy of excitonic photoluminescence spectra in Cu2O thin crystals (2017)
  • Author(s): A. Kiridoshi, S. Arishima, M. Mizumaki, K. Iwamitsu, I. Akai
  • Organizer: International Meeting on "High-Dimensional Data-Driven Science" (HD3-2017)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Sparse modeling of extended x-ray absorption fine structures (2017)
  • Author(s): I. Akai
  • Organizer: 4th International Symposium on Kumamoto Synchrotron Radiation: Cooperation of Experiments and Computer Sciences
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] データ駆動科学による放射光計測データの新規解析法の提案 (2017)
  • Author(s): 赤井一郎
  • Organizer: SPring-8材料構造の解析に役立つ計算科学研究会（第3回）
  • Place of Presentation: (株)ニチイ学館・神戸ポートアイランドセンター）
  • Invited
• [Presentation] 放射光計測におけるデータ駆動科学 (2017)
  • Author(s): 赤井一郎
  • Organizer: 第4回計算科学連携センターセミナー
  • Place of Presentation: 姫路市・じばさんびる6F601会議室
  • Invited
• [Presentation] スパースモデリングによる広域X線吸収微細構造の新規解析法 (2017)
  • Author(s): 赤井一郎, 岡島敏浩, 平井康晴, 岡田真人
  • Organizer: 日本物理学会「第72回年次大会」
  • Place of Presentation: 大阪大学（豊中キャンパス）
• [Presentation] ベイズ推定によるCu2O薄膜における励起子発光のスペクトル分解 (2017)
  • Author(s): 切通愛莉紗, 堤優太, 郡司昂弥, 相原慎吾, 岩満一功, 徳田悟, 岡田 真人, 赤井一郎
  • Organizer: 日本物理学会「第72回年次大会」
  • Place of Presentation: 大阪大学（豊中キャンパス）
• [Presentation] 原子層厚グラフェンのX線光電子スペクトルのレプリカ交換モンテカルロ法によるスペクト ル分解 (2017)
  • Author(s): 有嶋駿士郎, 岩満一功, 相原慎吾, 高橋和敏, 徳田悟, 岡田真人, 赤 井一郎
  • Organizer: 日本物理学会「第72回年次大会」
  • Place of Presentation: 大阪大学（豊中キャンパス）
• [Presentation] ベイズ推定によるGaAs/AlAsタイプII超格子の発光スペクトル解析 (2017)
  • Author(s): 岩満一功, 古川喜彬, 中山正昭, 徳田悟, 岡田真人, 赤井一郎
  • Organizer: 日本物理学会「第72回年次大会」
  • Place of Presentation: 大阪大学（豊中キャンパス）
• [Presentation] データ駆動科学の物性科学への適用と、放射光計測への展開 (2016)
  • Author(s): 赤井一郎
  • Organizer: 九州シンクロトロン光研究センター研究成果報告会
  • Place of Presentation: 佐賀県・サンメッセ鳥栖
  • Invited
• [Presentation] データ駆動科学の物性科学への適用 (2016)
  • Author(s): 赤井一郎
  • Organizer: 第22回稲盛フロンティア研究セミナー
  • Place of Presentation: 九州大学・稲盛財団記念館
  • Invited
• [Presentation] SpDMDによるコヒーレントフォノン信号のモード分解解析(I) (2016)
  • Author(s): 赤井一郎, 村田伸, 相原慎吾, 徳田悟, 岩満一功, 岡田真人
  • Organizer: 日本物理学会「2016年秋季大会」
  • Place of Presentation: 金沢大学・角間キャンパス
• [Presentation] SpDMDによるコヒーレントフォノン信号のモード分解解析(II) (2016)
  • Author(s): 相原慎吾, 村田伸, 徳田悟, 岩満一功, 溝口幸司, 岡田真人, 赤井一 郎
  • Organizer: 日本物理学会「2016年秋季大会」
  • Place of Presentation: 金沢大学・角間キャンパス
• [Presentation] Data Driven Science by Sparse Modeling on Materials Informatics (2016)
  • Author(s): I. Akai
  • Organizer: 3rd International Symposium on Kumamoto Synchrotron Radiation
  • Place of Presentation: Faculty of Science, Kumamoto University
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Bayesian analysis of X-ray photoelectron spectra in monolayer and multilayer graphenes grown on SiC(0001) (2016)
  • Author(s): K. Iwamitsu, S. Arishima, K. Takahashi, S. Tokuda, M. Okada, and I. Akai
  • Organizer: 3rd International Symposium on Kumamoto Synchrotron Radiation
  • Place of Presentation: Faculty of Science, Kumamoto University
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Mode Decomposition of Coherent Phonon Signals by SpDMD (2016)
  • Author(s): S. Aihara, S. Murata, S. Tokuda, K. Mizoguchi, M. Okada, I. Akai
  • Organizer: 3rd International Symposium on Kumamoto Synchrotron Radiation
  • Place of Presentation: Faculty of Science, Kumamoto University
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Photoluminescence spectra in Cu2O thin crystals recrystallized epitaxially between paired MgO plates and their polarization dependences (2016)
  • Author(s): K. Gunji, S. Aihara, A.Kiridoshi, Y. Tsutsumi, K. Iwamitsu, F. Ichikawa, I. Akai
  • Organizer: 3rd International Symposium on Kumamoto Synchrotron Radiation
  • Place of Presentation: Faculty of Science, Kumamoto University
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Spectral decomposition of excitonic photoluminescence spectra in Cu2O thin crystals by Bayesian inference (2016)
  • Author(s): A. Kiridoshi, Y. Tsutsumi, K. Gunji, S. Aihara, K. Iwamitsu, S. Tokuda, M. Okada, I. Akai
  • Organizer: 3rd International Symposium on Kumamoto Synchrotron Radiation
  • Place of Presentation: Faculty of Science, Kumamoto University
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Spectral decomposition of X-ray photoelectron spectrum in graphenes having atomic thicknesses with a replica exchange Monte Carlo method (2016)
  • Author(s): S. Arishima, K. Iwamitsu, S. Aihara, K. Takahashi, S. Tokuda, M. Okada and I. Akai
  • Organizer: 3rd International Symposium on Kumamoto Synchrotron Radiation
  • Place of Presentation: Faculty of Science, Kumamoto University
  • Int'l Joint Research