ニューラルネットワークで創成する新しい物性物理学

2022 年度 実績報告書

• 研究領域: 「学習物理学」の創成－機械学習と物理学の融合新領域による基礎物理学の変革
• 研究課題/領域番号: 22H05114
• 研究機関: 上智大学
• 研究代表者: 大槻 東巳 上智大学, 理工学部, 教授 (50201976)
• 研究分担者: 大門 俊介 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (20825434) ; 大江 純一郎 東邦大学, 理学部, 教授 (40510251) ; 今田 正俊 早稲田大学, 理工学術院, 上級研究員(研究院教授) (70143542) ; 齊藤 英治 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (80338251) ; 永井 佑紀 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, システム計算科学センター, 副主任研究員 (20587026)
• 研究期間 (年度): 2022-06-16 – 2027-03-31
• キーワード: ニューラルネットワーク / 物性物理 / 量子輸送現象 / 量子多体系 / 磁性

研究実績の概要

本年度は立ち上げの年として，総括班と密接に連絡を取りながら研究体制の整備，博士研究員の選考を行い，また物性物理学の分野全体に貢献できるよう広報，情報公開，及び公募研究募集の準備を行った。
研究面では，これまで行ってきた多層畳み込みニューラルネットワークによるランダムな波動関数の分類を発展させ，auto encoderを用いて波動関数のイメージを生成することに成功した。これにより，数千次元のベクトルで表される波動関数のイメージを数次元に次元圧縮できるようになった。この次元圧縮した波動関数は機械学習の方法，例えばk-meanや混合ガウス分布により分類可能となる。これより教師データなしで波動関数を分類できるようになった。また磁性体中のマグノン波動関数の画像を用いて機械学習を行い、磁気超格子中のトポロジカルエッジモードの磁性相判別や臨界現象の解析を行った。
また，特に量子伝導に現れる複雑なゆらぎを理解する深層ニューラルネットワークを開発し、ゆらぎに隠れた物理系のミクロな情報の解析を行った。特にコンダクタンスの磁気指紋から，散乱状態を推定することに成功した。また，分担者である齊藤の研究室に完備された量子デバイス作製および測定の実験環境を利用し、ナノ量子細線の量子伝導測定を行い、実際に現実のデバイスにもこのニューラルネットワークが有効であることを実証した。さらにニューラルネットワークを活用し，特に分光学的実験や長時間実時間発展を解析する計算手法を開発応用した。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

立ち上げの年として，順調に計画を遂行する体制を整えることができた。

今後の研究の推進方策

これまでは静的なイメージの分類に力を入れてきたが，今後は時間発展を機械学習で解析する。申請者の所属機関である上智大学から広めの研究室が提供されたので，そこをセミナーや研究交流の場として用い，国際的な拠点として活用する。また定期的に研究会を開催して，物性物理学やそれに関連した分野での情報交換を行う。

研究成果

• [雑誌論文] Spin and spin current-From fundamentals to recent progress (2023)
  • 著者名/発表者名: Maekawa, Sadamichi; Kikkawa, Takashi; Chudo, Hiroyuki; Ieda, Jun'ichi; Saitoh, Eiji
  • 雑誌名: JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 巻: 133 ページ: 20902
  • DOI: 10.1063/5.0133335
  • 査読あり
• [雑誌論文] Nonlinear Magnon Polaritons (2023)
  • 著者名/発表者名: Oscar Lee, Kei Yamamoto, Maki Umeda, Christoph W Zollitsch, Mehrdad Elyasi, Takashi Kikkawa, Eiji Saitoh, Gerrit EW Bauer, Hidekazu Kurebayashi
  • 雑誌名: PHYSICAL REVIEW LETTERS 巻: 130 ページ: 46703
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.046703
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Mechanism of paramagnetic spin Seebeck effect (2023)
  • 著者名/発表者名: Koichi Oyanagi, Saburo Takahashi, Takashi Kikkawa, and Eiji Saitoh
  • 雑誌名: PHYSICAL REVIEW B 巻: 107 ページ: 14423
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.107.014423
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spin Seebeck effect: Sensitive probe for elementary excitation, spin correlation, transport, magnetic order, and domains in solids (2023)
  • 著者名/発表者名: Takashi Kikkawa, Eiji Saitoh
  • 雑誌名: ANNUAL REVIEW OF CONDENSED MATTER PHYSICS 巻: 14 ページ: 124-151
  • DOI: 10.1146/annurev-conmatphys-040721-014957
  • 査読あり
• [雑誌論文] Laser-Induced Creation of Antiferromagnetic 180-Degree Domains in NiO/Pt Bilayers (2023)
  • 著者名/発表者名: Hendrik Meer, Stephan Wust, Christin Schmitt, Paul Herrgen, Felix Fuhrmann, Steffen Hirtle, Beatrice Bednarz, Adithya Rajan, Rafael Ramos, Miguel Angel Nino, Michael Foerster, Florian Kronast, Armin Kleibert, Baerbel Rethfeld, Eiji Saitoh, Benjamin Stadtmuller, Martin Aeschlimann, Mathias Klaeui
  • 雑誌名: ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS 巻: 33 ページ: 2213536
  • DOI: 10.1002/adfm.202213536
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Emission of coherent THz magnons in an antiferromagnetic insulator triggered by ultrafast spin-phonon interactions (2023)
  • 著者名/発表者名: E Rongione, O Gueckstock, M Mattern, O Gomonay, H Meer, C Schmitt, R Ramos, T Kikkawa, M Micica E Saitoh, J Sinova, H Jaffres, J Mangeney, STB Goennenwein, S Gepraegs, T Kampfrath, M Klaeui, M Bargheer, TS Seifert, S Dhillon, R Lebrun
  • 雑誌名: NATURE COMMUNICATIONS 巻: 14 ページ: 1818
  • DOI: 10.1038/s41467-023-37509-6
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Sparse Modeling Approach for Quasiclassical Theory of Superconductivity (2023)
  • 著者名/発表者名: Yuki Nagai and Hiroshi Shinaoka
  • 雑誌名: JOURNAL OF PHYSICAL SOCIETY OF JAPAN 巻: 92 ページ: 34703
  • DOI: 10.7566/JPSJ.92.034703
  • 査読あり
• [雑誌論文] Self-learning Monte Carlo for non-Abelian gauge theory with dynamical fermions (2023)
  • 著者名/発表者名: Yuki Nagai, Akinori Tanaka and Akio Tomiya
  • 雑誌名: PHYSICAL REVIEW D 巻: 107 ページ: 54501
  • DOI: 10.1103/PhysRevD.107.054501
  • 査読あり
• [雑誌論文] Unifying the Anderson transitions in Hermitian and non-Hermitian systems (2022)
  • 著者名/発表者名: Xunlong Luo, Zhenyu Xiao, Kohei Kawabata, Tomi Ohtsuki, and Ryuichi Shindou
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 4 ページ: L022035
  • DOI: 10.1103/PhysRevResearch.4.L022035
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Universality classes of the Anderson transitions driven by quasiperiodic potential in the three-dimensional Wigner-Dyson symmetry classes (2022)
  • 著者名/発表者名: X. Luo, T. Ohtsuki
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 106 ページ: 104205
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.106.104205
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Level statistics of real eigenvalues in non-Hermitian systems (2022)
  • 著者名/発表者名: Z. Xiao, K. Kawabata, X. Luo, T. Ohtsuki, R. Shindou
  • 雑誌名: Physical Review Research 巻: 4 ページ: 43196
  • DOI: 10.1103/PhysRevResearch.4.043196
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Quantum phase transition between hyperuniform density distributions (2022)
  • 著者名/発表者名: S Sakai, R Arita, T Ohtsuki
  • 雑誌名: Physical Review Research 巻: 4 ページ: 33241
  • DOI: 10.1103/PhysRevResearch.4.033241
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Deciphering quantum fingerprints in electric conductance (2022)
  • 著者名/発表者名: S. Daimon, K. Tsunekawa, S. Kawakami, T. Kikkawa, R. Ramos, K. Oyanagi, T. Ohtsuki, E. Saitoh
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 13 ページ: 3160
  • DOI: 10.1038/s41467-022-30767-w
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Optimized implementation for calculation and fast-update of Pfaffians installed to the open-source fermionic variational solver mVMC (2022)
  • 著者名/発表者名: RuQing G. Xu, Tsuyoshi Okubo, Synge Todo, Masatoshi Imada
  • 雑誌名: Computer Physics Communications 巻: 277 ページ: 108375
  • DOI: 10.1016/j.cpc.2022.108375
  • 査読あり
• [雑誌論文] Unconventional dual 1D-2D quantum spin liquid revealed by ab initio studies on organic solids family (2022)
  • 著者名/発表者名: Kota Ido, Kazuyoshi Yoshimi, Takahiro Misawa, Masatoshi Imada
  • 雑誌名: NPJ QUANTUM MATERIALS 巻: 7 ページ: 48(1-10)
  • DOI: 10.1038/s41535-022-00452-8
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Ab initio low-energy effective Hamiltonians for the high-temperature superconducting cuprates Bi2Sr2CuO6, Bi2Sr2CaCu2 O8, HgBa2CuO4, and CaCuO2 (2022)
  • 著者名/発表者名: Jean Baptiste Moree, Motoaki Hirayama, Michael Thobias Schmid, Youhei Yamaji, Masatoshi Imada
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 106 ページ: 235150(1-22)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.106.235150
  • 査読あり
• [雑誌論文] Unconventional exciton evolution from the pseudogap to superconducting phases in cuprates (2022)
  • 著者名/発表者名: A. Singh, H. Y. Huang, J. D. Xie, J. Okamoto, C. T. Chen, T. Watanabe, A. Fujimori, M. Imada, D. J. Huang
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 13 ページ: 7906(1-9)
  • DOI: 10.1038/s41467-022-35210-8
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Observation of spin-current striction in a magnet (2022)
  • 著者名/発表者名: H. Arisawa, H. Shim, S. Daimon, T. Kikkawa, Y. Oikawa, S. Takahashi, T. Ono & E. Saitoh
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 13 ページ: 2440
  • DOI: 10.1038/s41467-022-30115-y
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Quantum oscillations from Fermi arc surface states in Cd3As2 submicron wires (2022)
  • 著者名/発表者名: Miyazaki, Y ; Yokouchi, T ; Shibata, K ; Chen, Y ; Arisawa, H ; Mizoguchi, T ; Saitoh, E ; Shiomi, Y
  • 雑誌名: Physical Review Research 巻: 4 ページ: L022002
  • DOI: 10.1103/PhysRevResearch.4.L022002
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Phase and Composition Tunable Out-of-Plane Seebeck Coefficients for MoS2-Based Films (2022)
  • 著者名/発表者名: Won-Yong Lee, Min-Sung Kang, No-Won Park, Gil-Sung Kim, Ho-Won Jang, Eiji Saitoh, and Sang-Kwon Lee
  • 雑誌名: ACS APPLIED ELECTRONIC MATERIALS 巻: 4 ページ: 1576-1582
  • DOI: 10.1021/acsaelm.1c01260
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Coherent oscillation between phonons and magnons (2022)
  • 著者名/発表者名: Hioki, T ; Hashimoto, Y ; Saitoh, E
  • 雑誌名: COMMUNICATIONS PHYSICS 巻: 5 ページ: 115
  • DOI: 10.1038/s42005-022-00888-1
  • 査読あり
• [雑誌論文] Advances in Magnetics Roadmap on Spin-Wave Computing (2022)
  • 著者名/発表者名: Chumak, AV ; Kabos, P ; Wu, M ; Abert, C et al.
  • 雑誌名: IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS 巻: 58 ページ: 800172
  • DOI: 10.1109/TMAG.2022.3149664
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] The Damage Analysis for Irradiation Tolerant Spin-Driven Thermoelectric Device Based on Single-Crystalline Y3Fe5O12/Pt Heterostructures (2022)
  • 著者名/発表者名: Ieda, J ; Okayasu, S; Harii, K; Kobata, M; Yoshii, K; Fukuda, T; Ishida, M ; Saitoh, E
  • 雑誌名: IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS 巻: 58 ページ: 1301106
  • DOI: 10.1109/TMAG.2022.3145888
  • 査読あり
• [雑誌論文] Strain-induced shape anisotropy in antiferromagnetic structures (2022)
  • 著者名/発表者名: Meer, H.; Gomonay, O.; Schmitt, C.; Ramos, R.; Schnitzspan, L.; Kronast, F.; Mawass, M.; Valencia, S.; Saitoh, E.; Sinova, J.; Baldrati, L.; Klaeui M.
  • 雑誌名: PHYSICAL REVIEW B 巻: 106 ページ: 94430
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.106.094430
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Real-space observation of standing spin-wave modes in a magnetic disk (2022)
  • 著者名/発表者名: Tomosato Hioki；Tomonao Araki；Kosuke Umemura；Koujiro Hoshi；Eiji Saitoh
  • 雑誌名: APPLIED PHYSICS LETTERS 巻: 121 ページ: 132402
  • DOI: 10.1063/5.0098772
  • 査読あり
• [雑誌論文] Composition-tunable magnon-polaron anomalies in spin Seebeck effects in epitaxial BixY3－xFe5O12 films (2022)
  • 著者名/発表者名: Takashi Kikkawa; Koichi Oyanagi; Tomosato Hioki; Masahiko Ishida; Zhiyong Qiu; Rafael Ramos; Yusuke Hashimoto; Eiji Saitoh
  • 雑誌名: PHYSICAL REVIEW MATERIALS 巻: 6 ページ: 104402
  • DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.6.104402
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Abnormal Seebeck Effect in Vertically Stacked 2D/2D PtSe2/PtSe2 Homostructure (2022)
  • 著者名/発表者名: Won-Yong Lee; Min-Sung Kang; Jae Won Choi; Si-Hoo Kim; No-Won Park; Gil-Sung Kim; Yun-Ho Kim; Eiji Saitoh; Young-Gui Yoon; Sang-Kwon Lee
  • 雑誌名: ADVANCED SCIENCE 巻: 9 ページ: 2203455
  • DOI: 10.1002/advs.202203455
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Spin motive force induced by parametric excitation (2022)
  • 著者名/発表者名: Hoshi, Koujiro; Hioki, Tomosato; Saitoh, Eiji
  • 雑誌名: APPLIED PHYSICS LETTERS 巻: 121 ページ: 212404
  • DOI: 10.1063/5.0129466
  • 査読あり
• [雑誌論文] Stochastic dynamics of a metal magnon parametron (2022)
  • 著者名/発表者名: Hioki, Tomosato; Saitoh, Eiji
  • 雑誌名: JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 巻: 132 ページ: 203901
  • DOI: 10.1063/5.0123221
  • 査読あり
• [雑誌論文] Experimental observation of nuclear-spin Seebeck effect (2022)
  • 著者名/発表者名: Takashi Kikkawa, Eiji Saitoh
  • 雑誌名: THE JAPAN SOCIETY OF APPLIED PHYSICS 巻: 91 ページ: 230403
  • DOI: 10.11470/jsaprev.230403
  • 査読あり
• [雑誌論文] Intrinsic vortex pinning in superconducting quasicrystals (2022)
  • 著者名/発表者名: Yuki Nagai
  • 雑誌名: PHYSICAL REVIEW B 巻: 106 ページ: 64506
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.106.064506
  • 査読あり
• [学会発表] 固体物理における波動関数の解析と生成 (2023)
  • 著者名/発表者名: 大槻東巳
  • 学会等名: 日本物理学会シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] Universality classes of the Anderson transitions driven by quasiperiodic potential in the three-dimensional Wigner-Dyson symmetry classes (2023)
  • 著者名/発表者名: 大槻東巳
  • 学会等名: 日本物理学会
• [学会発表] Universality classes of the Anderson transitions driven by quasiperiodic potential in the three-dimensional Wigner-Dyson symmetry classes (2023)
  • 著者名/発表者名: Tomi Ohtsuki
  • 学会等名: アメリカ物理学会
  • 国際学会
• [学会発表] Variational Quantum Monte Carlo and Beyond (2022)
  • 著者名/発表者名: M. Imada
  • 学会等名: QMC in the Next Decade Flatiron Institute Center for Computational Quantum Physics
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Variational studies on classical simulation of quantum many-body problem and integrated analyses of spectroscopic experimental data ― How can they describe complex real world well ? (2022)
  • 著者名/発表者名: M. Imada
  • 学会等名: Variational Learning for Quantum Matter Bernoulli Workshop
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Electron fractionalization and cuprate superconductivity (2022)
  • 著者名/発表者名: M. Imada
  • 学会等名: International Superstripes Conference 2022
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 深層学習による波動関数の解析と生成 (2022)
  • 著者名/発表者名: 大槻東巳
  • 学会等名: 東京大学AIセンター連続シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] Unsupervised machine learning the Anderson transitions (2022)
  • 著者名/発表者名: Tomi Ohtsuki
  • 学会等名: Localisation 2022
  • 国際学会
• [学会発表] 深層学習で解析・生成したランダム量子系の波動関数～AIを用いた半導体中の電気伝導の解析～ (2022)
  • 著者名/発表者名: 大槻東巳
  • 学会等名: RIST HPCI 第6回オンラインサロン「スパコンコロキウム」
  • 招待講演
• [学会発表] Critical behaviors of the Anderson transitions in Hermitian and non-Hermitian systems (2022)
  • 著者名/発表者名: 大槻東巳
  • 学会等名: 物性研究所スパコン共同利用・CCMS合同研究会「計算物質科学の新展開」
  • 招待講演
• [学会発表] Deciphering Quantum Fingerprints in electronic conductance (2022)
  • 著者名/発表者名: S. Daimon
  • 学会等名: Localization 2022
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Coupling of electron and nuclear spins in spin caloritronics (2022)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: Spin Caloritronics XI
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Spin current induced by nuclear spin and quantum spin liquid (2022)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: 2nd international conference on materials for humanity(MH22)
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] TomiOhtsukiWebsite
  • URL: https://sites.google.com/view/tomiohtsukiwebsite/home
• [備考] TomiOhtsukiWebsite
  • URL: https://sites.google.com/view/tomiohtsukiwebsite/kakenhi-kiban-a-results-eng
• [備考] google scholar
  • URL: https://scholar.google.com/citations?hl=ja&user=x9hDjesAAAAJ
• [備考] researcher ID
  • URL: https://publons.com/researcher/2169531/tomi-ohtsuki/
• [学会・シンポジウム開催] Integrated Spectroscopy for Strong Electron Correlation -Theory, Computation and Experiment (ISSEC2022) (2022)