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2022 年度 実施状況報告書

機械学習によるスピン軌道相互作用が絡む磁気・伝導・光物性を持つ人工多層薄膜の設計

研究課題

研究課題/領域番号 21K03444
研究機関三重大学

研究代表者

中村 浩次  三重大学, 工学研究科, 教授 (70281847)

研究期間 (年度) 2021-04-01 – 2025-03-31
キーワード人工多層薄膜 / スピン軌道相互作用 / 第一原理計算 / 機械学習
研究実績の概要

1.全電子フルポテンシャル線形化補強平面波法(film-FLAPW法)のプログラム開発を行った。前年度は、スピンホール伝導度や角度依存X線磁気円二色性(XMCD)、NEB法の第一原理計算プログラムを完成させ、本年度は引き続き軌道ホール伝導度の第一原理計算プログラムを第二変分法及び線形応答理論に基づき開発した。

2.3d強磁性金属Coと5d重金属(Ta,W,Re,Os,Ir,Pt)の2層薄膜に対して、前年度に引き続き内因性のスピンホール伝導度と異常ホール伝導度の5d重金属種依存性と膜厚依存性を解析した。ベリー曲率及びスピンベリー曲率の計算から、両物性は5d重金属層の電子占有数により系統的に説明できること、しかし両物性の発生機構が異なることがわかった。スピンホール伝導度は5d重金属層内のバルクバンドに由来し、異常ホール伝導度はCo界面の磁気的近接効果により説明可能で、これらの予測はスピンデバイス材料開発に向けて一つの設計指針を供すると考えられる。

3.人工多層薄膜の材料設計に向けて、第一原理計算の限られた少数データから原子層配列と物性との関係を探索する材料設計手法を開発した。ガウスデータ拡張法とアンサンブル学習を取り入れたニューラルネットワークを実装し、例えば、前年度までに計算してきたMgO上のCoFe多層膜に対して、磁気モーメントと形成エネルギーが全原子層配列数の10~ 30%からなるトレーニングデータセットからほぼ予測することができること、この改善はニューラルネットワークにおける近似曲線の平滑化効果に起因するものであることがわかった。この手法はマテリアルズインフォマティクスに広く適用できるものと考えられる。

現在までの達成度 (区分)
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

本研究目的を達成させるための第一原理計算手法プログラムの開発を予定通り進めている。本年度は軌道ホール伝導度の計算を可能させ、NEB法や角度依存XMCD法のプログラムにおいても計算の大容量化・高速化を図るために並列化プログラムに改良した。材料設計手法開発に関しても、ガウスデータ拡張法とアンサンブル学習を取り入れたニューラルネットワークを実装し、第一原理計算の限られた少数データから材料設計を可能とするスモールデータ駆動型材料設計手法の開発の目途も得られた。以上のことから順調に進展している。

今後の研究の推進方策

前年度に引き続き、第一原理計算手法のプログラムを開発する。スピン軌道トルクを求める第一原理計算プログラムに対して、スピン磁気モーメントと軌道磁気モーメントに対する電気磁気効果感受率のプログラムの開発に目途が立っていることから、今後はトルクを計算するためのプログラムの開発にうつる。また、これまでに開発したプログラムを改良し、スピン及び軌道による異常ネルンストン効果の解析手法も検討する。その他、酸化物等の強相関系材料も対象にしていることから、補正(オンサイトクーロン相互作用補正+U等)が必要になってくるため、機械学習を利用して、パラメータUの導出方法について継続開発する。一方、第一原理計算には膨大な計算コストを削減するためのスモールデータ駆動型材料設計手法の開発を継続し、スピン軌道相互作用が絡む磁気・伝導・光物性を持つ人工多層薄膜の設計のための手法構築を行う。

応用面として、引き続き、3d強磁性金属と5d重金属を含む様々な人工多層膜の構造最適化を進め、スピン軌道相互作用が絡む磁気・伝導・光物性に関する物理的性質のデータを収集し、上述の手法を適用し、スピン軌道相互作用が絡む磁気・伝導・光物性が最大限になる人工多層薄膜の構造(元素種の組合せや積層配列など)の提案に移る。ここでは、スピントロニクス分野で重要なスピン・軌道磁気モーメント、交換相互作用力、結晶磁気異方性、ジャロシンスキー守谷相互作用力、電気・スピン流伝導度、異常・スピンホール伝導度、誘電率、光学伝導度、磁気光学カー効果、磁気ダンピング定数、スピン軌道トルク等の物理的性質を取り扱う。

次年度使用額が生じた理由

理由:プログラムの改良により計算消耗品費を予定より少なくすることができた。また、新型コロナ感染防止のため出張費を使用しなかった。

使用計画:計算機消耗品を購入する。また国内会議・国際会議で研究成果を発表するための旅費に使用する。

  • 研究成果

    (15件)

すべて 2023 2022

すべて 雑誌論文 (3件) 学会発表 (12件) (うち国際学会 3件、 招待講演 1件)

  • [雑誌論文] Prediction-accuracy improvement of neural network to ferromagnetic multilayers by Gaussian data augmentation and ensemble learning2023

    • 著者名/発表者名
      Nawa Kenji、Hagiwara Katsuyuki、Nakamura Kohji
    • 雑誌名

      Computational Materials Science

      巻: 219 ページ: 112032~112032

    • DOI

      10.1016/j.commatsci.2023.112032

  • [雑誌論文] Modification of plasmonic properties in several transition metal-doped graphene studied by the first principles method2023

    • 著者名/発表者名
      Dzujah Diyan Unmu、Pradipto Abdul-Muizz、Hidayat Rahmat、Nakamura Kohji
    • 雑誌名

      RSC Advances

      巻: 13 ページ: 1446~1454

    • DOI

      10.1039/d2ra06446d

  • [雑誌論文] Electronic Structures of Graphene/MoS2; Heterostructure: Effects of Stacking Orientation, Element Substitution, and Interlayer Distance2022

    • 著者名/発表者名
      Hastuti Dian Putri、Nawa Kenji、Nakamura Kohji
    • 雑誌名

      Indonesian Journal of Chemistry

      巻: 23 ページ: 140~140

    • DOI

      10.22146/ijc.75538

  • [学会発表] Electronic structures of graphene/MoS2 heterostructure from first principles: The effects of stacking orientation, element substitution, and interlayer distance2023

    • 著者名/発表者名
      D. P. Hastuti, K. Nawa, K. Nakamura
    • 学会等名
      IEEE Magnetics Society 名古屋支部 若手研究会
  • [学会発表] The Effect of External Electric Field on Electronic and Spin Properties of MoS2-graphene van der Waals Heterostructures2023

    • 著者名/発表者名
      D. P. Hastuti1, K. Nawa, K. Nakamura
    • 学会等名
      70回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] Controllable Electronic and Spin Properties of MoS2-based van der Waals Heterostructures2022

    • 著者名/発表者名
      D. P. Hastuti1, K. Nawa, K. Nakamura
    • 学会等名
      24th International Colloquium on Magnetic Films and Surfaces
    • 国際学会
  • [学会発表] First-Principles Study on Spin and Anomalous Hall Conductivities in Bilayers of Co and 5d Heavy Metals2022

    • 著者名/発表者名
      K. Nawa, M. Fukutani, K. Nakamura
    • 学会等名
      24th International Colloquium on Magnetic Films and Surfaces
    • 国際学会
  • [学会発表] スモールデータ機械学習に基づく磁性多層膜設計:アンサンブル学習とデータ拡張法による予測精度の向上2022

    • 著者名/発表者名
      名和憲嗣,萩原克幸,三浦良雄,中村浩次
    • 学会等名
      第46回日本磁気学会学術講演会
  • [学会発表] 2層膜Co/5d重金属におけるスピン・異常ホール伝導度と結晶磁気異方性の第一原理計算2022

    • 著者名/発表者名
      福谷真奈, 名和憲嗣, 中村浩次
    • 学会等名
      第83回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] L10型合金の角度依存X線磁気円二色性と電子構造の第一原理計算2022

    • 著者名/発表者名
      牛田真由美, 名和憲嗣, 中村浩次
    • 学会等名
      第83回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] カチオンドープしたNiOにおける交換相互作用と結晶磁気異方性, 磁気双極子双極子相互作用の第一原理計算2022

    • 著者名/発表者名
      尾崎涼佑, 名和憲嗣, 中村浩次
    • 学会等名
      第83回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] Tunable Optical Properties in MoS2/WS2 Heterostructure by External Electric Field2022

    • 著者名/発表者名
      D. P. Hastuti, K. Nawa, K. Nakamura
    • 学会等名
      第83回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] Role of magnetocrystalline anisotropy and magnetic dipole-dipole interaction in spin Seebeck effect at NiO/Pt2022

    • 著者名/発表者名
      A. G. Ahmadi, K. Nawa, K. Nakamura
    • 学会等名
      第83回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] Materials exploration using ensemble machine learning with small dataset2022

    • 著者名/発表者名
      K. Nawa, K. Hagiwara, Y. Miura, K. Nakamura
    • 学会等名
      第83回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] Material design of multilayer films with spin-orbit induced magnetic phenomena: first principles study2022

    • 著者名/発表者名
      K. Nakamura
    • 学会等名
      The 2nd International Congress on Pure and Applied Sciences-2022
    • 国際学会 / 招待講演

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公開日: 2023-12-25  

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