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Material search with high-speed and efficient scanning tunneling spectroscopy based on machine learning

Publicly Offered Research

Project AreaDiscrete Geometric Analysis for Materials Design
Project/Area Number 18H04480
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)

Allocation TypeSingle-year Grants
Research InstitutionKanazawa University

Principal Investigator

吉田 靖雄  金沢大学, 数物科学系, 准教授 (10589790)

Project Period (FY) 2018-04-01 – 2020-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2019)
Budget Amount *help
¥7,800,000 (Direct Cost: ¥6,000,000、Indirect Cost: ¥1,800,000)
Fiscal Year 2019: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2018: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000)
Keywordsトンネル分光イメージング / 電子定在波 / スパースモデリング / 圧縮センシング / 機械学習 / 走査トンネル分光 / 準粒子干渉 / 走査トンネル顕微分光
Outline of Annual Research Achievements

低温走査トンネル顕微鏡(STM)を用いたトンネル分光イメージングは、二次元表面の欠陥等で散乱・干渉する電子の波を捉え、物質内の電子やその電子が収まっているバンド構造の性質を明らかにする手法である。この手法は、フェルミ面やバンドの構造を極低温・強磁場でも観察できることから、角度分解光電子分光と相補的な測定手法として、その重要性は高い。一方でその測定は長ければ一週間にも及び、STMの高い安定性と高騰を続ける液体ヘリウムを大量に必要とする。そのため、現状では国内でもごく限られた実験室でしか測定を行うことができない。そこで我々は、この測定の高速化を進める研究を行ってきた。これまで、バンド内の単一のエネルギーにおいて観察された電子波の実空間画像から、データ点をランダムに落とし、スパースモデリングを用いて逆問題を数値的に解いて波数空間の干渉パターンを再現することに成功している。この結果は、少なくとも数値実験の範囲内では、1/9のデータ(1/9の測定時間)で同じ情報を獲得できることを意味している。そこで本研究ではこの結果を踏まえて、測定点をランダムに間引いた実測定プログラムの開発を行った。また、それと並行してスパースモデリングと機械学習を用いて、干渉パターンだけでなくバンド構造まで再現する解析手法の開発を行った。開発した実測定プログラムを用いた実験では、単純なバンドを有するAu(111)表面を試料として用いて行った。生成した乱数を用いて測定点の取捨選択を行い、少しずつ測定点を減らしながら測定を行った結果、1/4までデータを減らしたランダム測定を安定に行うことに成功し、フルに測定したデータと同じ情報が得られることが分かった。更に、スパースモデリングと機械学習を用いて最適化を行うことで、ランダム計測によって増大するノイズが除去された高分解能の信号が復元できることが明らかになった。

Research Progress Status

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(2 results)
  • 2019 Annual Research Report
  • 2018 Annual Research Report
  • Research Products

    (17 results)

All 2019 2018 Other

All Journal Article (4 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Peer Reviewed: 4 results,  Open Access: 2 results) Presentation (10 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Invited: 7 results) Book (2 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] 走査トンネル顕微鏡による軌道秩序の直接観察:物質表面に現れる新たな秩序2019

    • Author(s)
      吉田靖雄・Howon Kim・Chi-Cheng Lee・長谷川幸雄
    • Journal Title

      固体物理

      Volume: 54(10) Pages: 513-522

    • NAID

      40022054544

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Scanning tunneling microscopy on cleaved Mn 3Sn(0001) surface2019

    • Author(s)
      Hung-Hsiang Yang, Chi-Cheng Lee, Yasuo Yoshida, Muhammad Ikhlas, Takahiro Tomita, Nugroho Agung Agustinus, Taisuke Ozaki, Satoru Nakatsuji, Yukio Hasegawa
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 9 Issue: 1 Pages: 9677-9677

    • DOI

      10.1038/s41598-019-45958-7

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Defect-induced electronic structures on SnSe surface2019

    • Author(s)
      Kanta Asakawa, Fumikazu Oguro, Yasuo Yoshida, Hideaki Sakai, Noriaki Hanasaki, Yukio Hasegawa
    • Journal Title

      Japanese Journal of Applied Physics

      Volume: 58 Issue: SI Pages: SIIA06-SIIA06

    • DOI

      10.7567/1347-4065/ab147d

    • NAID

      210000156432

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Bulk ferromagnetic tips for spin-polarized scanning tunneling microscopy2019

    • Author(s)
      Haze Masahiro、Yang Hung-Hsiang、Asakawa Kanta、Watanabe Nobuyuki、Yamamoto Ryosuke、Yoshida Yasuo、Hasegawa Yukio
    • Journal Title

      Review of Scientific Instruments

      Volume: 90 Issue: 1 Pages: 0137041-5

    • DOI

      10.1063/1.5063759

    • NAID

      120006607263

    • Related Report
      2019 Annual Research Report 2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Direct observation of surface-induced orbital order in a strongly-correlated superconductor revealed by gap-dependent scanning tunneling microscopy2019

    • Author(s)
      Yasuo Yoshida
    • Organizer
      ELECTRON CORRELATION IN SUPERCONDUCTORS AND NANOSTRUCTURES
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Low temperature scanning tunneling microscopy and spectroscopy study of FeSexTe1-x at the nematic quantum critical point2019

    • Author(s)
      Yasuo Yoshida
    • Organizer
      Superstripes 2019
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 低温走査トンネル顕微鏡を用いた先端計測による強相関電子系の研究; Advanced scanning tunneling microscopy techniques on strongly correlated electron systems2019

    • Author(s)
      吉田靖雄
    • Organizer
      分子研コロキウム
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] スピン分解走査トンネル顕微鏡による表面磁性の研究2018

    • Author(s)
      吉田靖雄
    • Organizer
      2018年日本表面真空学会学術講演会
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] トンネルギャップ依存イメージングで明らかにする軌道自由度の物理2018

    • Author(s)
      吉田靖雄
    • Organizer
      2018年日本表面真空学会学術講演会
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Surface-induced orbital ordering in a strongly-correlated superconductor revealed by gap-dependent scanning tunneling microscopy2018

    • Author(s)
      Yasuo Yoshida
    • Organizer
      14th International Conference on Atomically Controlled Surfaces, Interfaces and Nanostructures (ACSIN-14) & 26th International Colloquium on Scanning Probe Microscopy (ICSPM26)
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 鉄系超伝導体FeSexTe1-xの電子ネマティック量子臨界点近傍における電子状態と超伝導ギャップ2018

    • Author(s)
      吉田靖雄
    • Organizer
      表面界面スペクトロスコピー2018
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] 鉄カルコゲナイド超伝導体FeSe0.6Te0.4単結晶の走査トンネル顕微・分光測定2018

    • Author(s)
      吉田靖雄, Hsiang Yang, 寺尾耕太郎, 柏木隆成, 門脇和男, 長谷川幸雄
    • Organizer
      日本物理学会 2018年秋季大会
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] 鉄系超伝導体FeSexTe1-xの電子ネマティック量子臨界点近傍における電子状態と超伝導ギャップ2018

    • Author(s)
      吉田靖雄, Hsiang Yang, 寺尾耕太郎, 柏木隆成, 門脇和男, 長谷川幸雄
    • Organizer
      物性研短期研究会「量子多体効果が生み出す液晶的電子状態」
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] Advanced scanning tunneling microscopy techniques for condensed matter researches: spin- and orbital-resolved STM2018

    • Author(s)
      Yasuo Yoshida
    • Organizer
      Academia Sinica, Condensed matter seminar
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Book] Nanoscale Magnetic Imaging2019

    • Author(s)
      Yukio Hasegawa, Masahiro Haze, Yasuo Yoshida
    • Total Pages
      13
    • Publisher
      Elsevier
    • ISBN
      9780128122969
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Book] Comprehensive Nanoscience and Nanotechnology, 4.04 - Nanoscale Magnetic Imaging2019

    • Author(s)
      Yukio Hasegawa, Masahiro Haze and Yasuo Yoshida
    • Total Pages
      13
    • Publisher
      ELSEVIER
    • ISBN
      9780128122969
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Remarks]

    • URL

      https://yoshidalab716742948.wordpress.com/publication-list/

    • Related Report
      2018 Annual Research Report

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Published: 2018-04-23   Modified: 2021-12-27  

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