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先端量子ビーム計測技術向け汎用データ解析ソフトウェア2DMATの開発〜2次元物質研究の新展開〜

鳥取大学工学部機械物理系学科・同大学同学部先進機械電子システム研究センターの星健夫准教授(兼任:高エネルギー加速器研究機構(KEK)物質構造科学研究所 客員准教授)、同大学大学院博士前期(修士)課程の岩本晴道氏・一ノ瀬颯人氏、東京大学物性研究所の本山裕一特任研究員・吉見一慶特任研究員、KEK物質構造科学研究所 低速陽電子(注1)実験施設(SPF= Slow Positron Facility)の望月出海助教の共同研究グループは、先端計測技術向けのデータ駆動科学を活用した汎用データ解析ソフトウェア2DMAT(ツーディーマット)を開発しました。本ソフトはWEB上で公開(https://www.pasums.issp.u-tokyo.ac.jp/2dmat/)されており、誰でも無償で利用できます。
本ソフトの主な解析対象は、2次元物質(注2)の構造です。2次元物質は、3次元物質とは異なる低次元の原理によって新機能を発現するため、次世代触媒や次世代超高速電子デバイス材料などへ応用が期待されています。しかしながら、2次元物質への計測技術は十分には確立されておらず、その構造(詳細な原子配列)決定の難しさが課題とされていました。一方、量子ビームをもちいた表面構造解析技術が近年発展し、それらを単独あるいは相補的に利用することで、2次元物質の詳細な構造決定が可能になりつつあります。2DMATはこれら量子ビーム計測技術に対し、並列モンテカルロ型ベイズ推定(注3)などのデータ駆動科学を駆使した先進的なデータ解析手法を提供します。本研究では、最新の量子ビーム回折法(注4)である全反射高速陽電子回折(TRHEPD,トレプト)法(注5)と2DMATを組み合わせ、複雑なデータ構造に潜む「真の解」(正しい構造)を探索して短時間のうちに決定できることを示しました。
本研究により、2次元物質の構造決定を高効率・高信頼に行える汎用のデータ解析ソフトが開発されたことで、それらを対象とした新材料開発や、産業利用に向けた応用研究に大きな弾みがつくことが期待されます。
 本研究成果は、エルゼビア社が発行する「Computer Physics Communications」誌のオンライン版に7月21日に掲載されました。

 

用語解説:

(注1)低速陽電子・・・陽電子は素粒子の1種。電子の反粒子で、電荷が正であること以外は電子と同じ性質をもっている。エネルギーの高い陽電子を、一旦、陽電子に対する負の仕事関数をもつニッケルやタングステンなどの金属(モデレータ)に入射し、その中で運動エネルギーをほぼ0にした後、表面から再放出させるという特殊な方法で低速化したものを低速陽電子という。再放出するときのエネルギーは仕事関数の絶対値(ニッケルでは1 eV、タングステンでは3 eV)となる。これを実験で使用する所望のエネルギーに再加速したものも同様に低速陽電子と呼ぶ。

(注2)2次元物質・・・原子数層の厚みしかない、極めて薄い物質の総称。ここでは、多岐にわたって最先端で研究されている次のような物質材料を意味する。炭素原子の2次元ハチの巣格子状物質であるグラフェン、もしくはホウ素(ボロフェン)、ケイ素(シリセン)、ゲルマニウム(ゲルマネン)などのポストグラフェン材料、化合物シートである窒化ホウ素(h-BN)や遷移金属とカルコゲン(S, Se, Te)からなる遷移金属ダイカルコゲナイド、それらの積層・配向・インターカレーションなどを制御した新物質、結晶内部と原子の並び方が異なるために新たな特性を発現する表面再構成(表面超構造)など。

(注3)並列モンテカルロ型ベイズ推定・・・モンテカルロ型ベイズ推定は、計測データが与えられた状況で、探索対象量(本研究では2次元物質の原子配列の位置座標)を確率分布(ベイズ事後確率分布と呼ばれる)として得る数理手法。サンプルデータ点からなるヒストグラムとして、任意形状の確率分布を表現できる。並列モンテカルロ法(レプリカ交換法・ポピュレーションアニーリング法)をもちいることで、パーソナルコンピュータからスーパーコンピュータ「富岳」に至る、広範囲な計算機で高速かつ高精度なデータ解析が実現できる。

(注4)量子ビーム回折法・・・量子ビーム(X線・電子・陽電子・中性子など、量子力学に基づく波)による回折現象を利用した実験手法の総称。

(注5)全反射高速陽電子回折(TRHEPD,トレプト)法・・・エネルギー10 keV程度の質の良い陽電子ビームを試料表面にすれすれの角(視射角θ= 0°~6°)で入射し、得られる回折パターンのスポット強度から表面の原子配列を調べる方法。Total-Reflection High-Energy Positron Diffractionの頭文字をとってTRHEPDと略称される。ここで利用される陽電子は(注1)の方法でエネルギーを揃えて再加速した低速陽電子であるが、電子をもちいる反射高速電子回折(Reflection High-Energy Electron Diffraction)の陽電子版なので、それとの対応から「高速」陽電子回折と呼ばれる。さらに「全」反射と呼ばれるのは、電子にはない全反射が起こるため。

雑誌情報
雑誌名:Computer Physics Communications
タイトル:Data-analysis software framework 2DMAT and its application to experimental measurements for two-dimensional material structures
URL:https://doi.org/10.1016/j.cpc.2022.108465

 

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Institution :  鳥取大学      高エネルギー加速器研究機構