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ナノ構造情報解明のためのデータ駆動型アルゴリズム開発

公募研究

研究領域ナノ構造情報のフロンティア開拓-材料科学の新展開
研究課題/領域番号 26106504
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
審査区分 理工系
研究機関東京大学

研究代表者

永田 賢二  東京大学, 新領域創成科学研究科, 助教 (10556062)

研究期間 (年度) 2014-04-01 – 2016-03-31
研究課題ステータス 完了 (2015年度)
配分額 *注記
4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円)
2015年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円)
2014年度: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円)
キーワードナノ構造解明 / 機械学習 / スパース推定 / ベイズ推論 / 交換モンテカルロ法
研究実績の概要

本研究では,ナノ構造と材料機能の関係を明らかにするデータ駆動型科学アルゴリズムを開発する.採用第1年度目の平成26年度では,電子状態の第一原理的な理論計算データから,ベイズ推論によって有効モデルを自動的に抽出するアルゴリズムを構築した.
採用第2年度目の平成27年度では,上記のベイズ推論に基づく有効モデル選択の枠組みに対し,ボルツマン因子によって温度を導入することにより,実験系の物理とコンシステントな条件下で理論計算を行う手法の開発を行った.ボルツマン分布では,高温になるにつれて一様分布に近づいていくため,すべてのスピン配列がエネルギーにかかわらず等価にサンプリングされる.一方,低温では基底状態まわりの低エネルギーをもつスピン配列がサンプリングされやすくなる.この手法では,以上のような実験に近い描像を表現することができるため,ある温度での状態,例えば室温や低温などの現実的な温度で議論できる.この手法を,フラストレートしたNiGa_2S_4三角格子系における非制限ハートリー・フォック近似による電子状態の数値計算データに適用した.その結果,これまでの理論先行研究では実験と定性的に一致していなかった最近接交換相互作用の符号が本研究では一致することが確認された.この結果は,反強磁性の第三近接相互作用と強磁性の最近接相互作用の競合によって,量子スピン液体がNiGa_2S_4において実現する可能性を示唆するものである.このように,フラストレートした複雑な系においても適切な有効モデルの選択が可能であることを示した.
また,ベイズ推論において,ベイズ比熱という量を定義し,データの数やノイズレベルなどの変化に応じて,推定の成否が変化する点をベイズ比熱により抽出できる場合があることを発見した.

現在までの達成度 (段落)

27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

27年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2015 実績報告書
  • 2014 実績報告書
  • 研究成果

    (12件)

すべて 2016 2015 2014

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 2件、 謝辞記載あり 1件) 学会発表 (9件) (うち国際学会 4件)

  • [雑誌論文] 材料科学とデータ駆動科学2015

    • 著者名/発表者名
      永田賢二,岡田真人
    • 雑誌名

      日本セラミックス協会

      巻: 50 ページ: 531-534

    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
  • [雑誌論文] An exhaustive search and stability of sparse estimation for feature selection problem2015

    • 著者名/発表者名
      Kenji Nagata, Jun Kitazono, Shin-ichi Nakajima, Satoshi Eifuku, Ryoi Tamura and Masato Okada
    • 雑誌名

      IPSJ Transactions on Mathematical Modeling and Its Applications

      巻: 印刷中

    • NAID

      130005091237

    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Model selection of NiGa2S4 triangular lattice by Bayesian inference2014

    • 著者名/発表者名
      Hikaru Takenaka, Kenji Nagata, Takashi Mizokawa, Masato Okada
    • 雑誌名

      Jouronal of the Physical Society of Japan

      巻: 83 号: 12 ページ: 124706-124706

    • DOI

      10.7566/jpsj.83.124706

    • NAID

      210000133376

    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Bayesian Inference of Effective Classical Spin Hamiltonians from Hartree-Fock Calculation2016

    • 著者名/発表者名
      Hikaru Takenaka, Kenji Nagata, Takashi Mizokawa, Masato Okada
    • 学会等名
      American Physical Society March Meeting
    • 発表場所
      Baltimore, USA
    • 年月日
      2016-03-17
    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] A theory of phase transitions and crossovers in statistical estimation: Toward a data-driven approach for physical science2015

    • 著者名/発表者名
      Satoru Tokuda, Kenji Nagata, Masato Okada
    • 学会等名
      International Meeting on “High-Dimensional Data Driven Science” (HD3-2015)
    • 発表場所
      Mielparque Kyoto, Kyoto, Japan
    • 年月日
      2015-12-16
    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Auto-Extraction of Effective Spin Hamiltonians from Electronic Structural Calculations by Bayesian Inference2015

    • 著者名/発表者名
      Hikaru Takenaka, Kenji Nagata, Takashi Mizokawa, Masato Okada
    • 学会等名
      International Meeting on “High-Dimensional Data Driven Science” (HD3-2015)
    • 発表場所
      Mielparque Kyoto, Kyoto, Japan
    • 年月日
      2015-12-16
    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Three levels of data-driven science2015

    • 著者名/発表者名
      Yasuhiko Igarashi, Kenji Nagata, Tatsu Kuwatani, Toshiaki Omori, Yoshinori Nakanishi-Ohno, Masato Okada
    • 学会等名
      International Meeting on “High-Dimensional Data Driven Science” (HD3-2015)
    • 発表場所
      Mielparque Kyoto, Kyoto, Japan
    • 年月日
      2015-12-14
    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 比熱から見るベイズ推定における必要最小データ量2015

    • 著者名/発表者名
      徳田悟,永田賢二,岡田真人
    • 学会等名
      第18回情報論的学習理論ワークショップ (IBIS2015)
    • 発表場所
      つくば国際会議場,茨城県つくば市
    • 年月日
      2015-11-27
    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
  • [学会発表] 線形回帰モデルのベイズ事後分布が持つ相転移2015

    • 著者名/発表者名
      徳田悟,永田賢二,岡田真人
    • 学会等名
      日本物理学会2015年秋季大会
    • 発表場所
      関西大学,大阪府吹田市
    • 年月日
      2015-09-19
    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
  • [学会発表] ベイズ学習における必要最低サンプル数の推定2015

    • 著者名/発表者名
      徳田悟,永田賢二,岡田真人
    • 学会等名
      2015年度 人工知能学会全国大会 (JSAI2015)
    • 発表場所
      公立はこだて未来大学,北海道函館市
    • 年月日
      2015-05-31
    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
  • [学会発表] 動径基底関数ネットワークのベイズ事後分布が持つ相転移2015

    • 著者名/発表者名
      徳田悟,永田賢二,岡田真人
    • 学会等名
      日本物理学会第70回年次大会
    • 発表場所
      早稲田大学,東京都,日本
    • 年月日
      2015-03-24
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
  • [学会発表] ベイズ推論による三角格子スピン系NiGa2S4有効モデル選択の温度依存性2015

    • 著者名/発表者名
      竹中光,永田賢二,溝川貴司,岡田真人
    • 学会等名
      日本物理学会第70回年次大会
    • 発表場所
      早稲田大学,東京都,日本
    • 年月日
      2015-03-22
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書

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公開日: 2014-04-04   更新日: 2018-03-28  

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