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2022 年度 実施状況報告書

多元素不規則系物質に対する機械学習分子動力学法を用いた熱伝導度計算法の開発と応用

研究課題

研究課題/領域番号 22K03454
研究機関熊本大学

研究代表者

島村 孝平  熊本大学, 大学院先端科学研究部(理), 助教 (60772647)

研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2025-03-31
キーワード熱伝導度 / 分子動力学法 / 機械学習 / 多元素不規則系
研究実績の概要

初年次の目標は、機械学習原子間ポテンシャル(MLP)とGreen-Kubo(GK)公式に基づく熱伝導度計算に、データ駆動的アプローチを融合させ、多様な組成・構造を持つ物質に対しても熱伝導度計算を行えるように改善することである。データ駆動的アプローチとして、能動学習法等を用いて多様性の高い訓練データを獲得し効率的に学習する方法の整備を行った。また、目標の一つであった、原子論的機構調査のために部分熱伝導度を求める手法を提案した。熱流束は、MLPの訓練対象で無い「原子要素」によって構成される。このためにMLPの熱流束は、MLPの重みの初期値に依存して実は値が変わってしまう。合計の熱伝導度に対しては、少なくとも解析的には、この不定性の影響はないことがすでに先行研究で明らかになっている。しかしながら、部分的な熱伝導度、例えば、元素寄与や周波数空間における熱伝導度に大きな影響を与え、これらの値が定まらない問題が生じている。全熱伝導度は求められるものの、熱伝導度の起源を探索するためのより深い解析に支障が出ていた。そこで、MLPの訓練時に、重みの初期値に依って生じる余分な熱流束を削減するデータ駆動的アプローチを考案した。具体的には、訓練時に熱流束を定義し、それをMLPのコスト関数に正則化項として導入した。この正則化項は、熱流束を小さくするように機能する。これにより、重みの初期値依存性を削減し、部分熱伝導度の計算が行えることを確認した。全熱伝導度だけでなく、部分熱伝導度も解析対象にすることができ、熱伝導度起源のより深い探究が可能になると考えている。

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

研究計画通り、MLP+GK法による熱伝導度計算の整備を行えている。

今後の研究の推進方策

GK公式に基づく手法に摂動分子動力学(pMD)法が在り、合計の熱伝導度だけでなく、部分熱伝導度を評価するために役立つ。pMD法には拡張性があり、最近では、原子毎の熱伝導度を評価する方法、または、フォノン解析法のように熱伝導度の周波数依存性の議論できる方法が提案されている。初年度で、MLPの重み依存性を除いて部分熱伝導度を見積もることのできる手法を作ることができた。MLPとpMD法を組み合わせて、研究実施計画通りにテスト系での検証と新規熱電材料の探索に進みたいと考えている。

  • 研究成果

    (11件)

すべて 2023 2022 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (4件) (うち国際共著 4件、 査読あり 4件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (6件) (うち国際学会 3件、 招待講演 3件)

  • [国際共同研究] 南カリフォルニア大学(米国)

    • 国名
      米国
    • 外国機関名
      南カリフォルニア大学
  • [雑誌論文] Squishing Skyrmions: Symmetry-Guided Dynamic Transformation of Polar Topologies Under Compression2022

    • 著者名/発表者名
      Linker Thomas、Nomura Ken-ichi、Fukushima Shogo、Kalia Rajiv K.、Krishnamoorthy Aravind、Nakano Aiichiro、Shimamura Kohei、Shimojo Fuyuki、Vashishta Priya
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry Letters

      巻: 13 ページ: 11335~11345

    • DOI

      10.1021/acs.jpclett.2c03029

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Defect-free and crystallinity-preserving ductile deformation in semiconducting Ag2S2022

    • 著者名/発表者名
      Misawa Masaaki、Hokyo Hinata、Fukushima Shogo、Shimamura Kohei、Koura Akihide、Shimojo Fuyuki、Kalia Rajiv K.、Nakano Aiichiro、Vashishta Priya
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 12 ページ: 19458

    • DOI

      10.1038/s41598-022-24004-z

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Towards computational polar-topotronics: Multiscale neural-network quantum molecular dynamics simulations of polar vortex states in SrTiO3/PbTiO3 nanowires2022

    • 著者名/発表者名
      Linker Thomas、Fukushima Shogo、Kalia Rajiv K.、Krishnamoorthy Aravind、Nakano Aiichiro、Nomura Ken-ichi、Shimamura Kohei、Shimojo Fuyuki、Vashishta Priya
    • 雑誌名

      Frontiers in Nanotechnology

      巻: 4 ページ: 884149

    • DOI

      10.3389/fnano.2022.884149

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Hydrogen Bonding in Liquid Ammonia2022

    • 著者名/発表者名
      Krishnamoorthy Aravind、Nomura Ken-ichi、Baradwaj Nitish、Shimamura Kohei、Ma Ruru、Fukushima Shogo、Shimojo Fuyuki、Kalia Rajiv K.、Nakano Aiichiro、Vashishta Priya
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry Letters

      巻: 13 ページ: 7051~7057

    • DOI

      10.1021/acs.jpclett.2c01608

    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] 熱流束の正則化を用いた機械学習ポテンシャルの訓練法と熱伝導度計算への効果2023

    • 著者名/発表者名
      島村孝平,高良明英,下條冬樹
    • 学会等名
      日本物理学会 2023年春季大会
  • [学会発表] Refinement of Training Schemes for Machine-Learning Interatomic Potentials and Its Applications2023

    • 著者名/発表者名
      Kohei Shimamura
    • 学会等名
      APS March Meeting 2023
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 非平衡分布関数の時間発展による知性の記述2022

    • 著者名/発表者名
      島村孝平
    • 学会等名
      CBI学会2022年大会
    • 招待講演
  • [学会発表] 機械学習原子間ポテンシャルを用いた銀カルコゲナイドの熱伝導度計算2022

    • 著者名/発表者名
      島村孝平,高良明英,下條冬樹
    • 学会等名
      日本物理学会 2022年秋季大会
  • [学会発表] Estimating Thermal Conductivity of Silver Chalcogenides Using Machine-Learning Interatomic Potentials2022

    • 著者名/発表者名
      Kohei Shimamura
    • 学会等名
      LAM18 The 18th International Conference on Liquid and Amorphous Metals
    • 国際学会
  • [学会発表] Thermal Conductivity Calculation of Silver Chalcogenides: Molecular Dynamics Simulation Using Machine-Learning Interatomic Potentials2022

    • 著者名/発表者名
      K. Shinamura
    • 学会等名
      CCP2022 33rd IUPAP Conference on Computational Physics
    • 国際学会 / 招待講演

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公開日: 2023-12-25  

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