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機械学習を用いた多体系トポロジカル相の探求

公募研究

研究領域トポロジーが紡ぐ物質科学のフロンティア
研究課題/領域番号 18H04220
研究種目

新学術領域研究(研究領域提案型)

配分区分補助金
研究機関東京大学

研究代表者

赤城 裕  東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (20739437)

研究期間 (年度) 2018-04-01 – 2020-03-31
研究課題ステータス 完了 (2019年度)
配分額 *注記
3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)
2019年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円)
2018年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円)
キーワードトポロジカル相 / トポロジカル不変量 / 機械学習 / ニューラルネットワーク / スパースモデリング / 指数定理 / 量子スピン系 / ボルツマン機械
研究実績の概要

我々が開発したニューラルネットワークを用いた乱れのあるトポロジカル超伝導体を同定する手法は、解析計算により相の同定が可能である乱れのない極限における最低励起状態の波動関数を教師データとして学習器に学ばせる事で行う。乱れに関して統計平均を取り、有効的に並進対称性を回復させた波動関数を入力データとすることで、非摂動領域まで精度良く相判定を行うことが可能であるという特徴をもつ。その後の研究により、本手法が高次トポロジカル絶縁体やボゾン系トポロジカル相の判定にも使えることが判明し、bulk-edge対応がある系では対称性/次元に依らず汎用的に使える手法であることが実証された。一方、スパースモデリングによる画像復元技術を用いて、乱れを入れた際のエッジ状態におけるノイズを除去させた画像を学習器に判別させたところ、乱れが小さい領域では精度よく判別できたが、乱れが大きい領域では他の確立された手法による結果と一致せず、統計平均による並進対称性の回復が重要であることが明らかとなった。
本年度は更に、フェルミオン系におけるクラスAIIに対応する、擬時間反転対称性に保護された3次元Z2トポロジカルマグノン系の具体的模型とそれらを特徴付けるZ2トポロジカル不変量を提案した。ボゾン系には特有の数学的性質(非エルミート性)があるため、これらの不変量はフェルミオン系とは異なった表式のベリー接続/曲率を用いて表現されるという特徴がある。また、トポロジカル相は乱れに強いとされているが、系に乱れがあると波数が定義できないため、相を特徴付けるトポロジカル不変量を定めることは自明ではない。そこで、非可換幾何の手法を用いて、乱れのあるマグノン系トポロジカル相の不変量も定義した。ここでは、ボゾン系における“フェルミ”射影演算子を導入することで上記の手法を拡張した。

現在までの達成度 (段落)

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2019 実績報告書
  • 2018 実績報告書
  • 研究成果

    (34件)

すべて 2020 2019 2018

すべて 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 4件) 学会発表 (30件) (うち国際学会 15件、 招待講演 3件)

  • [雑誌論文] Three-dimensional topological magnon systems2019

    • 著者名/発表者名
      Kondo Hiroki、Akagi Yutaka、Katsura Hosho
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 100 号: 14

    • DOI

      10.1103/physrevb.100.144401

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Z(2) topological invariant for magnon spin Hall systems2019

    • 著者名/発表者名
      Kondo Hiroki, Akagi Yutaka, Katsura Hosho
    • 雑誌名

      PHYSICAL REVIEW B RAPID COMMUNICATIONS

      巻: 99 号: 4

    • DOI

      10.1103/physrevb.99.041110

    • NAID

      130007736905

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Transforming generalized Ising models into Boltzmann machines2019

    • 著者名/発表者名
      Yoshioka Nobuyuki、Akagi Yutaka、Katsura Hosho
    • 雑誌名

      Physical Review E

      巻: 99 号: 3 ページ: 032113-032124

    • DOI

      10.1103/physreve.99.032113

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Learning disordered topological phases by statistical recovery of symmetry2018

    • 著者名/発表者名
      Yoshioka Nobuyuki, Akagi Yutaka, Katsura Hosho
    • 雑誌名

      PHYSICAL REVIEW B

      巻: 97 号: 20 ページ: 205110-205118

    • DOI

      10.1103/physrevb.97.205110

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Topological Invariants for Magnon Systems with Disorder2020

    • 著者名/発表者名
      Yutaka Akagi
    • 学会等名
      International workshop “Variety and universality of Bulk-edge correspondence in topological phases: From solid state physics to transdisciplinary concepts”
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Three-dimensional topological magnon systems2020

    • 著者名/発表者名
      Hiroki Kondo, Yutaka Akagi, and Hosho Katsura
    • 学会等名
      International workshop “Variety and universality of Bulk-edge correspondence in topological phases: From solid state physics to transdisciplinary concepts”
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Three-dimensional topological magnon systems2020

    • 著者名/発表者名
      Hiroki Kondo, Yutaka Akagi, and Hosho Katsura
    • 学会等名
      American Physical Society March Meeting 2020
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 時間反転×並進対称性に保護されたマグノンディラック表面状態と電場応答2020

    • 著者名/発表者名
      近藤寛記, 赤城裕, 桂法称
    • 学会等名
      日本物理学会第75回年次大会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] 実空間表現によるボゾン系のZ2トポロジカル不変量2020

    • 著者名/発表者名
      赤城裕
    • 学会等名
      日本物理学会第75回年次大会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] Analytical Derivation of Equations of Motion for Spin-1 Magnets2020

    • 著者名/発表者名
      Kimberly Remund, Rico Pohle, Yutaka Akagi, Judit Romha_nyi, and Nic Shannon
    • 学会等名
      日本物理学会第75回年次大会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] Numerical Integration of Equations of Motion for Spin-1 Magnets2020

    • 著者名/発表者名
      Rico Pohle, Kimberly Remund, Yutaka Akagi, and Nic Shannon
    • 学会等名
      日本物理学会第75回年次大会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] Transforming Generalized Ising Model into Boltzmann Machine2019

    • 著者名/発表者名
      Nobuyuki Yoshioka, Yutaka Akagi, and Hosho Katsura
    • 学会等名
      StatPhys 27 -- International Conference on Statistical Physics
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Topological Invariants and Surface States in Magnon Systems2019

    • 著者名/発表者名
      Hiroki Kondo, Yutaka Akagi, and Hosho Katsura
    • 学会等名
      Progress in the Mathematics of Topological States of Matter
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Three-dimensional topological magnon systems2019

    • 著者名/発表者名
      Hiroki Kondo, Yutaka Akagi, and Hosho Katsura
    • 学会等名
      International Conference on Topological Materials Science 2019 (TopoMat2019)
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] マグノン系トポロジカル相とその不変量2019

    • 著者名/発表者名
      赤城裕
    • 学会等名
      第8回強相関電子系理論の最前線
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Transforming Generalized Ising Model into Boltzmann Machines2019

    • 著者名/発表者名
      Nobuyuki Yoshioka, Yutaka Akagi, and Hosho Katsura
    • 学会等名
      At the Crossroad of Physics and Machine Learning
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Detection of Phase Transitions in Quantum Spin Chains via Unsupervised Machine Learning2019

    • 著者名/発表者名
      Yutaka Akagi, Nobuyuki Yoshioka, and Hosho Katsura
    • 学会等名
      American Physical Society March Meeting 2019
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Z2 Topological Invariant for Magnon Spin Hall Systems2019

    • 著者名/発表者名
      Hiroki Kondo, Yutaka Akagi, and Hosho Katsura
    • 学会等名
      American Physical Society March Meeting 2019
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 教師なし学習による量子スピン鎖の相転移検出2019

    • 著者名/発表者名
      赤城裕, 吉岡信行, 桂法称
    • 学会等名
      日本物理学会第74回年次大会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] 3次元Z2トポロジカルマグノン系とその表面ディラック状態2019

    • 著者名/発表者名
      近藤寛記, 赤城裕, 桂法称
    • 学会等名
      日本物理学会第74回年次大会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] Topological Invariant for Magnon Hall Systems with Disorder2018

    • 著者名/発表者名
      Yutaka Akagi
    • 学会等名
      International Workshop on Symmetry and Topology in Condensed-Matter Physics
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Z2 Topological Invariant for Magnon Spin Hall Systems2018

    • 著者名/発表者名
      Hiroki Kondo, Yutaka Akagi, and Hosho Katsura
    • 学会等名
      International Workshop on Symmetry and Topology in Condensed-Matter Physics
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Learning Disordered Topological Phases by Statistical Recovery of Symmetry2018

    • 著者名/発表者名
      Nobuyuki Yoshioka, Yutaka Akagi, and Hosho Katsura
    • 学会等名
      Machine Learning for Quantum Many-body Physics
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Cluster updating classical spin systems by equivalent Boltzmann machines2018

    • 著者名/発表者名
      Nobuyuki Yoshioka, Yutaka Akagi, and Hosho Katsura
    • 学会等名
      Machine Learning for Quantum Many-body Physics
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 教師無し学習による量子スピン鎖の相判定2018

    • 著者名/発表者名
      赤城裕, 吉岡信行, 桂法称
    • 学会等名
      量子情報・物性の新潮流 -量子技術が生み出す多様な物性と情報処理技術-
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] 乱れのあるマグノンホール系におけるトポロジカル不変量2018

    • 著者名/発表者名
      赤城裕
    • 学会等名
      日本物理学会2018年秋季大会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] マグノンスピンホール系におけるZ2トポロジカル不変量2018

    • 著者名/発表者名
      近藤寛記, 赤城裕, 桂法称
    • 学会等名
      日本物理学会2018年秋季大会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] フラストレート・スピン系と等価なボルツマン機械による大域的更新法2018

    • 著者名/発表者名
      吉岡信行, 赤城裕, 桂法称
    • 学会等名
      日本物理学会2018年秋季大会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] Detection of Phase Transition in Quantum Spin Chains via Unsupervised Machine Learning2018

    • 著者名/発表者名
      Yutaka Akagi, Nobuyuki Yoshioka, and Hosho Katsura
    • 学会等名
      Mini-workshop on “Machine Learning in Physics”
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 乱れのあるマグノンホール系におけるトポロジカル不変量2018

    • 著者名/発表者名
      赤城裕
    • 学会等名
      基研研究会「スピン系物理の最前線」
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] 乱れのあるマグノンホール系におけるトポロジカル不変量2018

    • 著者名/発表者名
      近藤寛記, 赤城裕, 桂法称
    • 学会等名
      基研研究会「スピン系物理の最前線」
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] マグノンスピンホール系におけるZ2トポロジカル不変量2018

    • 著者名/発表者名
      赤城裕, 吉岡信行, 桂法称
    • 学会等名
      基研研究会「スピン系物理の最前線」
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] Z2 Topological Invariant for Magnon Spin Hall Systems2018

    • 著者名/発表者名
      Hiroki Kondo, Yutaka Akagi, and Hosho Katsura
    • 学会等名
      nternational Workshop "Variety and universality of bulk-edge correspondence in topological phases: From solid state physics to transdisciplinary concepts
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 教師なし学習による量子スピン鎖の相転移検出2018

    • 著者名/発表者名
      赤城裕, 吉岡信行, 桂法称
    • 学会等名
      第4回「トポロジーが紡ぐ物質科学のフロンティア」領域研究会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書

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公開日: 2018-04-23   更新日: 2021-01-27  

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