2023 Fiscal Year Research-status Report

Dynamics of macroscopic spin model approaching with data-driven search

Research Project

Project/Area Number	22K04915
Research Institution	National Institutes for Quantum Science and Technology
Principal Investigator	上野哲朗国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 関西光量子科学研究所放射光科学研究センター, 主幹研究員 (20609747)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	小野寛太大阪大学, 大学院工学研究科, 教授 (70282572)
Project Period (FY)	2022-04-01 – 2025-03-31
Keywords	巨視的スピン模型 / スピンフラストレート系 / 3Dプリンタ / 物体追跡 / 機械学習 / Scientific ML / シンボリック回帰 / 関数同定
Outline of Annual Research Achievements	本研究では肉眼で観察可能な巨視的スピン模型において、相互作用を記述する物理法則をデータ駆動型探索によって自動発見するための方法論を確立する。巨視的スピン模型とは長さ数cmの棒磁石が回転可能な機構を備えたローター(巨視的スピン素子)を格子状に多数並べたものであり、これらは磁気的相互作用によって複雑なダイナミクスを示す。本研究ではこのようなダイナミクスの様子をハイスピードカメラで撮影し、画像解析によってデータを抽出する。抽出したデータにデータ駆動型探索技術であるシンボリック回帰を適用して物理法則の自動発見を試みる。本研究によって、これまで振り子の運動など比較的単純な系では実現していた物理法則の自動発見が多数の巨視的スピンが相互作用する複雑な系でも可能であることを示す。令和5年度はローター(巨視的スピン素子)の設計を改良し、素子を三角格子状に多数並べた巨視的スピン模型を構成可能にした。手始めにローターを三角格子状に並べたN=3系のダイナミクスの解析に着手した。3Dプリンタを用いたラピッドプロトタイピングによって、最適な設計のローターを低コストかつ比較的短期間に作製することができた。また、令和4年度は保留していたハイスピードカメラを導入した。これによって最大1000fps(フレーム毎秒)での動画撮影が可能になり、巨視的スピン模型の複雑な挙動を詳細に調べることができるようになった。さらに、令和4年度時点ではローターを指で弾くことで駆動していたが、実験の再現性を高めるために令和5年度は電磁石からの磁場印加によるローターの駆動について検討した。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 令和5年度はローターの設計を改良することにより、N=10やN=100といった巨大な巨視的スピン模型の実現への道筋を立てることができた。また予定通りハイスピードカメラを導入し、高速動画撮影が可能になった。令和4年度に課題となった室内照明による高速動画のチラつき(フリッカー現象)はハイスピードカメラ専用照明を導入することで解決した。高速動画の解析に用いる物体追跡コードの改良、シンボリック回帰のフレームワークの検討を引き続き実施している。
Strategy for Future Research Activity	N=3系のダイナミクスの物理法則自動発見へ向けたデータ取得、シンボリック回帰による解析を進める。N=3以上の系に向けた物体追跡コードの改良を進める。また二次元模型向けの巨視的スピン素子を量産し、N=10系やN=100系を構築可能にする。さらに三次元模型の構築へ向けた巨視的スピン素子の設計、製作を行い、三次元模型のダイナミクスの物理法則自動発見を試みる。
Causes of Carryover	令和5年度分の残額が必要な消耗品の購入額に満たないため、次年度使用が生じた。当該残額は令和6年度分の物品費と合わせて3Dプリンタ用消耗品の購入に使用する。