2015 Fiscal Year Annual Research Report
データ取得と３Ｄ原子イメージ再生アルゴリズムの研究
| Project Area | 3D Active-Site Science |
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| Project/Area Number |
26105013
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| Research Institution | Japan Synchrotron Radiation Research Institute |
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Principal Investigator |
松下 智裕 公益財団法人高輝度光科学研究センター, 制御・情報部門, 主席研究員 (10373523)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
八方 直久 広島市立大学, 情報科学研究科, 准教授 (30285431)
窪田 昌史 広島市立大学, 情報科学研究科, 助教 (60305787)
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| Project Period (FY) |
2014-07-10 – 2019-03-31
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| Keywords | アルゴリズム / 計算物理 / 物性理論 / 原子配列解析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
像再生班では、5年の研究期間で下記の3つの課題を掲げ研究を進めている。それぞれの項目ごとに研究実績を示す。
【課題１】「共通３Ｄ解析プラットフォームの構築」については、中核となるソフトウエアの開発がほぼ完了した。このソフトウエアは3D-AIR-IMAGEと名付け、他の研究班に提供した。同時にデーターベースで利用可能な実験データ・フォーマットも決定した。解析チュートリアルを2回開催し、各班でそれぞれ独自に解析が進められるようにした。また、原子像を再生するBarton法の高速計算アルゴリズムの研究については、森川Gとの議論の結果、新たなアルゴリズムの開発に成功した。最大で 約1/100の時間での像再生に成功し、パソコンで1時間以内に立体原子像が計算できるようになった。また、高精度像の再生のための像再生理論SPEA-MEMの高度化については、森川Gと議論の結果、理論をベースから見直し、最大エントロピー法ではなく、スパースモデリングに基づいたL1正則化を用いた新しい像再生理論(SPEA-L1)を構築した。この理論を使った原子像再生に成功し、SPEA-MEMよりも明瞭な像が得られることを確認した。
【課題2】「高精度低ノイズ計測系開発」については、林Gによる蛍光X線ホログラフィー測定装置の新規開発に合わせ、ホログラムが高精度で測定できるように、計測系のハードウエア、ソフトウエアを新規開発した。このソフトウエアは3D-AIR-IMAGのプラグインの形で実装した。これにより共通プラットフォーム3D-AIR-IMAGE上で、計測、解析、原子像再生まで一貫して操作できるようになった。
【課題3】「４Ｄ空間の高解像度再生」については大型計算機にBarton法を移植し、並列化計算でより短時間で原子像を計算できるようにした。並列度に反比例して計算時間が短くなることを確認した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
【課題１】「共通３Ｄ解析プラットフォームの構築」については、H26年度からH27年度を研究期間としていたが、予定より早く研究が進み、他の研究班に使ってもらっている状況にある。解析チュートリアルは既に2回開催した。新しい像再生理論の構築も進んだ。
【課題2】「高精度低ノイズ計測系開発」については、H27年度からH29年度の研究期間を予定しており、林Gの蛍光X線ホログラフィー測定計測系を新規開発した。次年度以降は光電子の計測系開発を予定している。概ね予定通りである。【課題3】「４Ｄ空間の高解像度再生」についてはH28後期～H30年を研究期間としていたが、前倒しで研究を進め、大型計算機にBarton法を移植し、並列化計算できるようにした。並列度とほぼ比例して計算速度が向上することまで確かめている。
また、予定外の連携研究の成果として、木下Gと共同で、新しい光電子ホログラム測定装置、阻止電位型電子アナライザーの電子軌道解析を行い、従来の電極構造と比較して、10倍のエネルギー分解能が得られることを示した。この装置を木下Gにて制作し、この分解能が達成できること確認した。他にも、開発したソフトウエアをロシアの研究グループが使用し、PRBに論文を投稿した[M. V. Kuznetsov, et al. Phys. Rev. B, 91, 085402 (2015)]。直接研究の連携をしていないが、世界で有用性がみとめられ、世界標準のソフトへ繋がる成果と考えている。この後、このグループと木下Gとの共同研究が始まった。
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| Strategy for Future Research Activity |
【課題１】「共通３Ｄ解析プラットフォーム」は、ほぼ完了した。チュートリアルなどを開催し、利用方法の普及に努める。
【課題2】「高精度低ノイズ計測系開発」については、手法班林Gと連携して蛍光X線ホログラムの高精度測定を可能にした。次は木下Gと連携し新開発の電子アナライザーの高精度計測系の開発を進める。
【課題3】「４Ｄ空間の高解像度再生」については、高速Barton法計算を型計算へ移植を進める。また、この課題の内容の追加として、「スパースモデリングに基づく像再生の、スーパーコンピュータによる高速化」を挙げる。開発したSPEA-L1のアルゴリズムを大型計算機用に最適化し、高精度原子像の動画が得られるまで高速化を図る。
また、【追加課題】として、「ホログラムのデータ処理技術の研究」を行う。原子像を再生する前に、ホログラムに対して様々なデータ処理を適用する必要がある。これについて研究を進める。「ホログラムの結晶方位の推定」測定したホログラム対し、結晶の対称を考慮して、データの操作を適用するが、この際に結晶方位を高精度に決定する必要がある。初心者にはこの決定作業は難しい。自動的に結晶方位を決定するアルゴリズムの研究を行う。「束縛エネルギーのピーク分解による原子サイト別ホログラム取得の高度化」光電子ホログラムの測定では、光電子の放出角度分布と同時にエネルギー分布も得られる。エネルギー分布に対して、ピーク分解することで原子サイトを分離したホログラムが得られる。このサイト分離のアゴリズムの研究を進める。「実験で得られたホログラムの断片をつなぎ合わせる処理」光電子ホログラムの測定装置は、半球面のホログラムの一部しか測定できない。測定時に試料を回転させて測定し、得られたホログラムの断片から、半球面のホログラムを合成する必要がある。このデータ合成の研究を行う。
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