2021 Fiscal Year Annual Research Report
Comprehensive analysis of hyper-ordered structures based on mathematics and informatics
| Project Area | Progressive condensed matter physics inspired by hyper-ordered structures |
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| Project/Area Number |
20H05884
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
志賀 元紀 東北大学, 未踏スケールデータアナリティクスセンター, 教授 (20437263)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
松下 智裕 奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 教授 (10373523)
大林 一平 岡山大学, 環境生命科学学域, 教授 (30583455)
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| Project Period (FY) |
2020-11-19 – 2025-03-31
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| Keywords | マテリアルズ・インフォマティクス / 機械学習 / 原子像再生 / 位相的データ解析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
昨年度から引き続きデータ解析法の開発、開発法のコード整備、ソフトウェアの機能強化を行うとともに、開発したデータ解析法を用いて他班との共同研究を推し進めた。特に、計測データ解析から原子配列を推定する課題、位相的データ解析や化学結合トポロジー解析を用いた超秩序の記述法の研究に取り組んだ。計測データ解析の課題では、手法班（計画班A02-1およびA02-2）から提供される超秩序構造を測定した光電子または蛍光X線ホログラフィーなどの原子分解能計測データを対象とする。共同研究者の要望から実装に必要な機能を洗い出して設計し、ソフトウエアプラットフォーム 3D-AIR-IMAGEのプログラムに実装した。ソフトウエアダウンロード数が66程度あり、多くの研究者と共同研究を進めることができた。超秩序の記述法の課題では、分担者の大林らが中心となって開発しているパーシステントホモロジーに基づくデータ解析ソフトウェアHomCloudの機能強化を引き続き行った。月1回程度のペースでこのソフトウェアをアップデートし、他の計画班および公募班が構造秩序解析を行うための基盤を整備できた。また、ゼオライトなどの空隙の大きい材料を解析し、試料班（A01-1）および手法班（A03-1）との共同研究を推進した。超秩序の記述における異なるアプローチとして、化学結合からなるネットワークに含まれる閉ループ（化学結合リング）に基づく解析法を引き続き開発した。前年度に取り組んだリング形状およびリングを中心とした空間的な相関関数の解析コードを整備し、手法班（計画班A02-1およびA02-2）らの計測データを用いた構造解析を行なった。
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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
計測データ解析の課題においては、原子分解能ホログラフィーのデータ処理を研究し、ソフトウエアプラットフォーム3D-AIR-IMAGEに実装した。例えば、ホログラムは球面上で定義された関数であるが、この投影法の変換プログラムの改良、光電子が真空中に脱出する際に屈折する影響を取り除くブログラムの実装、光電子のバックグラウンドの補正プログラムなどの開発を進め、共同研究者に提供した。共同研究が進み進捗は順調である。また、構造秩序の記述法の課題において、パーシステントホモロジー解析を行うHomCloudの開発において、様々な環境のサポート(M1 Mac、Google Colab、Anacondaのサポートの進展)など多くの進展があった。これ以外にも、アモルファスの原子配置と物性（熱伝導率）の関係をパーシステントホモロジーによって解析する研究やパーシステントホモロジーと非負行列分解を組み合わせた3次元X線CT画像の解析手法の開発など、位相的データ解析による材料科学データ解析の手法開発とその応用を進めた。 化学結合リングに基づく解析を用いることで、ネットワーク形成ガラスの構造秩序の解析を行った。解析したガラス材料には、様々な条件下で合成されたシリカガラスやアモルファスシリコンが含まれ、他の研究班と連携して解析結果を比較することで構造秩序の興味深い違いを示すことができた。ガラス（アモルファス）と結晶の構造秩序を定量的に評価し、構造秩序の類似性を見出すことをできた。
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| Strategy for Future Research Activity |
原子分解能計測データの課題において、光電子ホログラフィーの共同研究が進展してきたため、その測定プログラムの改良が必要になってきた。測定時の省力化のための、自動ロギング、測定の高速化などの改良が必要である。2022年度はその開発を進める。また、引き続き共同研究者からの意見を聞きながらプラットフォームの改良を進める。 構造秩序の記述の課題において、2021年度に進めた研究（パーシステントホモロジーと非負行列分解と3次元CT画像を組み合わせる解析法、原子配置と熱伝導率の関係のパーシステントホモロジー解析など）に関するデータ解析の方針を固めることができたので、次年度にはデータおよび全体的な手順を整理して、学術雑誌に論文としてまとめるのが今後の課題である。また、本領域内において、位相的データ解析を利用した連携研究をさらに広げるために、開発ソフトウェアの普及活動を継続する予定である。 化学結合リングに基づく構造秩序の解析に関して、酸化物ガラスのアモルファスおよび結晶との定量的な比較に関するデータを今年度に整理することができたので、次年度には学術雑誌論文にまとめて提出する準備を進める予定である。今年度に、解析コードをpythonパッケージにまとめることができた。今後、多くの共同研究者が容易に開発法による解析をでき、可視化できるようにGUIベースのソフトウェア開発を推進する予定である。その際に、リング解析だけでなく、化学結合（配位数、結合角等）や空隙の統計解析を代表とする従来の解析についても実装し、構造秩序を網羅的に解析できるようなソフトウェア実装を目指す。
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Research Products
(27 results)
