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伊藤 悦子*; 永井 佑紀
Journal of High Energy Physics (Internet), 2020(7), p.7_1 - 7_31, 2020/07
被引用回数：0 パーセンタイル：100格子量子色力学(格子QCD)を用いることで、原子核内部のクォークの振る舞いを記述することができる。格子QCDは現代において最も精緻な計算手法であり、分子動力学シミュレーションで用いられるハイブリッドモンテカルロ法など、様々な計算技術が格子QCDの研究を通じて生まれている。本論文発表では、格子QCDの中でも最も困難な課題の一つと考えられている有限温度での振る舞いについて、機械学習手法の一つであるスパースモデリングを用いて有用な情報を引き出すことに成功したことを報告する。その際、固体物理学分野において開発されたスパースモデリング数値解析接続を利用し、有限温度の相関関数から実周波数スペクトルの情報を引き出すことに成功した。本研究により、モンテカルロ法において収集サンプル数が少ない場合においても、有用な情報を引き出すことが可能であることを示し、スパースモデリングが格子QCDにおいても有効であることを示すことができた。
永井 佑紀; 奥村 雅彦; 小林 恵太*; 志賀 基之
Physical Review B, 102(4), p.041124_1 - 041124_6, 2020/07
被引用回数：1 パーセンタイル：31.73(Materials Science, Multidisciplinary)第一原理計算で得られたポテンシャルを再現するようなニューラルネットワーク(ANN)を構築して分子動力学を実行するのが機械学習分子動力学法である。ANNを構築する際の最適なトレーニングデータは、元々の第一原理分子動力学法で生成される原子配置とそのポテンシャルである。通常は、様々な原子配置とそのポテンシャルデータを大量に作成することで、目的の機械学習分子動力学法と同じようなポテンシャルを生成するANNを構築している。しかしながら、構築されたANNが元々の第一原理計算のポテンシャルを再現するという保証はない。さらに、4元素以上で構成されるような系の場合には、長時間の機械学習分子動力学法では計算が不安定になることがあり、機械学習分子動力学法の計算の精度や妥当性については常に慎重な議論が必要であった。本論文発表では、自己学習モンテカルロ法のアイディアを用いることで、得られた結果が統計的に厳密にオリジナルの第一原理計算分子動力学法の計算結果と等しい手法を開発したことを報告する。
Kheirkhah, M.*; Yan, Z.*; 永井 佑紀; Marsiglio, F.*
Physical Review Letters, 125(1), p.017001_1 - 017001_8, 2020/07
被引用回数：0 パーセンタイル：100(Physics, Multidisciplinary)近年、高次トポロジカル物質と言われる、今までにない新しいタイプのトポロジカル物質が注目を集めている。特に、超伝導体と半導体を接合させた場合、高次トポロジカル超伝導状態が現れると期待され、そしてトポロジカル量子コンピューティングが可能な新しいマヨラナ状態が出現するということで盛んに研究が行われている。本研究では、固体物理における基本的な模型である拡張ハバード模型にスピン軌道相互作用が存在するとき、温度とキャリアドープ量によって1次トポロジカル超伝導と2次トポロジカル超伝導および通常の超伝導の複数の相が現れることを明らかにした。本研究では、高次トポロジカル超伝導状態が容易に実現する方法を提案したことになる。
Kheirkhah, M.*; 永井 佑紀; Chen, C.*; Marsiglio, F.*
Physical Review B, 101(10), p.104502_1 - 104502_9, 2020/03
被引用回数：2 パーセンタイル：14.76(Materials Science, Multidisciplinary)近年、高次トポロジカル物質と言われる、今までにない新しいタイプのトポロジカル物質が注目を集めている。特に、超伝導体と半導体を接合させた場合、高次トポロジカル超伝導状態が現れると期待され、そしてトポロジカル量子コンピューティングが可能な新しいマヨラナ状態が出現するということで盛んに研究が行われている。本研究では、この高次トポロジカル超伝導体に対して電場を印加した場合についての挙動を理論的に調べた。その結果、なだらかに変化をする電場を印加すると、マヨラナコーナーフラットバンドという新しい状態が出現することを理論的に明らかにした。これは、電場印加という外的要因による新しい量子状態の出現を意味している。
永井 佑紀; 奥村 雅彦; 田中 章詞*
Physical Review B, 101(11), p.115111_1 - 115111_12, 2020/03
被引用回数：4 パーセンタイル：8.09(Materials Science, Multidisciplinary)モンテカルロ法は原子力分野以外にも様々な分野で利用される極めて汎用的な手法である。近年、機械学習の手法を取り込むことで、高速なモンテカルロ法が開発されている。本稿では、銅酸化物高温超伝導体をはじめとする様々な物質のシミュレーションにおいて汎用的に用いられている連続時間量子モンテカルロ法に対して機械学習の手法を適用した結果を報告する。なお、上記課題の解決にあたり、モンテカルロ法でネックの一つとなる次の配置をどう決めるか、という問題に対して、ニューラルネットワークを用いた構築した有効模型を用いて自動的に決定するという手法を提案した。この手法の開発により、より高精度な超伝導体シミュレーションや、ウランなどの重い元素を含む第一原理計算の高速化が期待できる。
松下 太樹*; 永井 佑紀; 藤本 聡*
Physical Review B, 100(24), p.245205_1 - 245205_9, 2019/12
被引用回数：1 パーセンタイル：76.22(Materials Science, Multidisciplinary)物質を特徴付ける新しい方法として、準粒子の寿命に起因した非エルミート有効準粒子ハミルトニアンを用いる方法がある。しかしながら、その非エルミート性に起因する現象がどの物質でどのように現れるかはあまり知られていない。本研究では、ワイル・ディラック半金属と呼ばれる物質群において、不純物や格子欠陥が存在する場合、準粒子スペクトルに非エルミート性が現れることを示した。通常、ハミルトニアンはエルミートであるが、準粒子の有効ハミルトニアンが非エルミートになることによって、例外点と呼ばれる非エルミート行列特有のトポロジカル構造が運動量空間に現れることがわかった。そして、この例外点は角度分解光電子分光などの実験によってフラットバンドとして観測できることを予言した。本研究により、物質の新しい側面をトポロジーによって見出すことができ、かつ不純物や欠陥が本質的な役割を示すことがわかった。
永井 佑紀
物理学者、機械学習を使う, p.74 - 86, 2019/10
一般書「物理学者、機械学習を使う」(朝倉書店)の章の一つ、「自己学習モンテカルロ法」の執筆を担当し、広く様々な分野で用いられるマルコフ連鎖モンテカルロ法を機械学習を用いて高速化する手法「自己学習モンテカルロ法」の解説を行った。この手法は、マルコフ連鎖モンテカルロ法において計算負荷の高い部分を、機械学習を用いより軽い計算へと置き換えるものである。本書は、機械学習・深層学習を使った研究を進めている物理学者が自身の研究を紹介し、物理学科の学生・研究者や一般読者の学習・研究に役立てることを目指した書籍である。
永井 佑紀; 品岡 寛*
Journal of the Physical Society of Japan, 88(6), p.064004_1 - 064004_5, 2019/06
被引用回数：5 パーセンタイル：25.43(Physics, Multidisciplinary)核燃料物質であるウラン化合物や高温超伝導体である銅酸化物高温超伝導体などの強相関電子系における物性を評価するためには、動的平均場理論などの高精度なシミュレーション手法の開発が必須である。近年、機械学習関連手法の一つであるスパースモデリングを用いることで、シミュレーションにおいて保持すべき情報量が実際の数値計算の情報よりもはるかに少ないことが示されている。本論文では、このスパースモデリングの手法を厳密対角化を用いた動的平均場理論へと適用することにより、限られたシステムサイズから滑らかな自己エネルギーを計算する方法を提案する。なお、上記課題の解決にあたり、スパースモデリングによって得られる新しい基底を用いてグリーン関数を表現することによって、限られた基底の数で自己エネルギーを展開することに成功し、動的平均場理論の収束性とシステムサイズ依存性をコントロールすることに成功した。この手法の開発により、核燃料物質をはじめとする強相関電子系のシミュレーションの精度コントロールが可能となると期待できる。これらの結果は、広く原子力分野のためのシミュレーション技術開発に資する成果である。
-wave superconductor永井 佑紀; 加藤 雄介*
Journal of the Physical Society of Japan, 88(5), p.054707_1 - 054707_8, 2019/05
被引用回数：2 パーセンタイル：45.7(Physics, Multidisciplinary)近年、物質を層状に重ねたマイクロデバイスの作製が可能になり、それらを用いた革新的デバイス作製へ向けて世界中で盛んに研究が行われている。特に、超伝導体のNbの2層構造を作製することで、従来とは異なった超伝導磁束状態である分数量子渦状態がSQUID顕微鏡で観測できた、という報告がなされており、興味を持たれている。しかしながら、具体的にどのような量子状態が実現しているかは明らかではなかった。本論文では、この実験の理論的解析を目的として、超伝導体に分数量子渦が生じた場合における準粒子束縛状態のエネルギー依存性の理論計算結果を報告する。なお、上記課題の解決にあたり、数値計算と近似的解析計算を駆使することで、分数量子渦の周りには特徴的なパターン構造が現れることを示唆し、そのパターンが走査型トンネル顕微鏡で観測可能であることを示した。これらの結果は、界面や表面を利用したデバイス開発に資する成果であり、広く原子力分野の材料開発のためのシミュレーション基盤開発にも資する成果である。
-wave nanoscale superconductors永井 佑紀; 太田 幸宏*; 田中 佳織*
Journal of Physics; Conference Series, 969, p.012039_1 - 012039_6, 2018/03
被引用回数：0 パーセンタイル：100銅酸化物高温超伝導体に代表される非従来型超伝導体は、様々な産業への応用が期待され世界中で盛んに研究されている。特に、近年、ナノ構造作製技術が向上し、詳細なコントロールによって超伝導体の物性をコントロールすることが可能になってきた。本ポスター講演では、銅酸化物高温超伝導体のモデルとしてよく用いられる波超伝導体のナノ構造体の高精度シミュレーションの結果を報告する。なお、上記課題の解決にあたり、自己無撞着場計算において高パフォーマンスを示す縮約シフト共役勾配法による超伝導体向け超並列シミュレーションコードの開発をICE X上で行った。そして、波超伝導体のひし形構造のナノ構造体において、低温で時間反転対称性を破った新しい超伝導相が現れることがわかった。この相を利用することで、銅酸化物高温超伝導体の臨界電流を上昇させることが可能であると考えられる。これらの結果は、実用上重要な高臨界電流超伝導デバイス開発に資する成果であり、広く原子力分野のためのシミュレーション技術開発にも資する成果である。
永井 佑紀; Shen, H.*; Qi, Y.*; Liu, J.*; Fu, L.*
Physical Review B, 96(16), p.161102_1 - 161102_6, 2017/10
被引用回数：33 パーセンタイル：8.41(Materials Science, Multidisciplinary)モンテカルロ法は原子力分野以外にも様々な分野で利用される極めて汎用的な手法である。近年、機械学習の手法を取り込むことで、高速なモンテカルロ法が開発されている。本論文では、銅酸化物高温超伝導体をはじめとする様々な物質のシミュレーションにおいて汎用的に用いられている連続時間量子モンテカルロ法に対して機械学習の手法を適用した結果を報告する。なお、上記課題の解決にあたり、モンテカルロ法でネックの一つとなる次の配置をどう決めるか、という問題に対して、機械学習によって自動的に決めるという手法を提案した。この手法の開発により、より高精度な超伝導体シミュレーションや、ウランなどの重い元素を含む第一原理計算の高速化が期待できる。これらの結果は、広く原子力分野のためのシミュレーション技術開発に資する成果である。
As飯田 一樹*; 石角 元志*; 永井 佑紀; 吉田 紘行*; Christianson, A. D.*; 村井 直樹; 川島 健司*; 吉田 良行*; 永崎 洋*; 伊豫 彰*
Journal of the Physical Society of Japan, 86(9), p.093703_1 - 093703_4, 2017/09
被引用回数：18 パーセンタイル：13.33(Physics, Multidisciplinary)The dynamical spin susceptibility in the new-structure iron-based superconductor CaKFeAs was investigated by a combination of inelastic neutron scattering (INS) measurements and random phase approximation (RPA) calculations. Powder INS measurements show that the spin resonance at Q
= 1.17(1) 
vector in the tetragonal notation, evolves below Tc. The characteristic energy of the spin resonance E = 12.5 meV is smaller than twice the size of the superconducting gap (2
). The broad energy feature of the dynamical susceptibility of the spin resonance can be explained by the RPA calculations which take into account the different superconducting gaps on the different Fermi surfaces. Our INS and PRA studies demonstrated that the superconducting pairing nature in CaKFeAs is the s
symmetry.
-wave nanoislands永井 佑紀; 太田 幸宏*; 田中 佳織*
Physical Review B, 96(6), p.060503_1 - 060503_5, 2017/08
被引用回数：5 パーセンタイル：56.63(Materials Science, Multidisciplinary)銅酸化物高温超伝導体に代表される非従来型超伝導体は、様々な産業への応用が期待され世界中で盛んに研究されている。特に、近年、ナノ構造作製技術が向上し、詳細なコントロールによって超伝導体の物性をコントロールすることが可能になってきた。本論文では、銅酸化物高温超伝導体のモデルとしてよく用いられる波超伝導体のナノ構造体を対象とし、ひし形形状ナノ超伝導体の高精度シミュレーションの結果を報告する。なお、上記課題の解決にあたり、自己無撞着場計算において高パフォーマンスを示す縮約シフト共役勾配法による超伝導体向け超並列シミュレーションコードの開発を行った。そして、この波ナノ超伝導体では、低温で時間反転対称性を破った新しい超伝導相が現れることがわかった。この相を利用することで、銅酸化物高温超伝導体の臨界電流を上昇させることが可能であると考えられる。これらの結果は、実用上重要な高臨界電流超伝導デバイス開発に資する成果であり、広く原子力分野のためのシミュレーション技術開発にも資する成果である。
Bi
Se
米澤 進吾*; 田尻 兼悟*; 中田 勝*; 永井 佑紀; Wang, Z.*; 瀬川 耕司*; 安藤 陽一*; 前野 悦輝*
Nature Physics, 13(2), p.123 - 126, 2017/02
被引用回数：115 パーセンタイル：0.69(Physics, Multidisciplinary)銅酸化物高温超伝導体や鉄系高温超伝導体に代表される非従来型超伝導体は、様々な産業への応用が期待され世界中で盛んに研究されている。特に、従来とは異なった熱応答や電磁応答を示すトポロジカル超伝導体と呼ばれる物質群が注目を集めている。そこで、本論文では、トポロジカル絶縁体BiSeに銅をインターカレートすることで作成される超伝導体CuBiSeの新奇物性を調べるために、磁場を面内に回転させて比熱を高精度に測定し、理論結果と比較した。なお、上記課題の解決にあたり、トポロジカル超伝導体の有効理論を構築することで本質を落とさずに系の自由度を大幅に縮小させることで幅広い温度磁場領域での実験結果との比較を可能にした。その結果、この物質では二回対称性のみを持つネマティック超伝導状態が生じていることを実験によって明らかにすることができた。これらの結果は、超伝導体の基礎物性を明らかにするのみならず、良い物性を持つデバイス開発に資する成果であり、広く原子力分野の材料開発のためのシミュレーション基盤開発にも資する成果である。
Goertzen, S. L.*; 田中 佳織*; 永井 佑紀
Physical Review B, 95(6), p.064509_1 - 064509_11, 2017/02
被引用回数：8 パーセンタイル：41.29(Materials Science, Multidisciplinary)銅酸化物高温超伝導体に代表される非従来型超伝導体は、様々な産業への応用が期待され世界中で盛んに研究されている。特に、高い転移温度を持つ有力な機能デバイス候補物質を探索することは、基礎応用両面においても非常に重要である。本論文発表では、強磁性体基板上に形成される界面二次元トポロジカル超伝導体の不純物に対する耐性を自己無撞着計算によって調べた。なお、上記課題の解決にあたり、サイズの大きな超伝導体を精度よく取り扱うための多項式展開手法を用いた並列シミュレーションコードの開発を行い、自己無撞着に安定に電子状態を計算することに成功した。本論文発表では、新しい機能デバイス候補物質である界面トポロジカル超伝導体の不純物に対する頑強性を詳細に調べることができた。これらの結果は、格子欠陥等の不純物が存在する場合においても安定なデバイス開発に資する成果であり、広く原子力分野のためのシミュレーション基板開発にも資する成果である。
永井 佑紀; 篠原 康*; 二村 保徳*; 櫻井 鉄也*
Journal of the Physical Society of Japan, 86(1), p.014708_1 - 014708_9, 2017/01
被引用回数：7 パーセンタイル：37.52(Physics, Multidisciplinary)銅酸化物高温超伝導体や鉄系高温超伝導体に代表される非従来型超伝導体は、様々な産業への応用が期待され世界中で盛んに研究されている。これらの非従来型超伝導体などをデバイスとして応用するためには、第一原理計算などを駆使した物質の特徴を捉えたシミュレーション手法の開発が急務である。本稿では、上記課題に対し、ナノサイズの超伝導体のシミュレーション手法の開発に成功したことを報告する。なお、上記課題の解決にあたり、Reducedシフト共役勾配法(RSCG)法という大規模並列計算が可能な手法を超伝導シミュレーションに応用し、実際に機構の所有するスーパーコンピューターSGI ICE X上で大規模並列計算を行い、そのパフォーマンスを調べた。そして、従来の手法と比べて非常に高速で応用範囲が広いことを報告した。これらの結果は、超伝導体の基礎物性を明らかにする手法であるのみならず、第一原理計算と組み合わせることで物質の特徴を取り入れることができるため様々な異なる物質のナノ超伝導デバイスに適用可能であり、広く原子力分野の材料開発のためのシミュレーション基盤開発にも資する成果である。
永井 佑紀; 太田 幸宏*
Physical Review B, 94(13), p.134516_1 - 134516_8, 2016/10
被引用回数：6 パーセンタイル：57.07(Materials Science, Multidisciplinary)銅酸化物高温超伝導体や鉄系高温超伝導体に代表される非従来型超伝導体は、様々な産業への応用が期待され、世界中で盛んに研究されている。特に、従来とは異なった熱応答や電磁応答を示すトポロジカル超伝導体と呼ばれる物質群が注目を集めている。そこで、本発表では、トポロジカル絶縁体BiSeにCuをドーピングすることで作成された超伝導体CuBiSeがトポロジカル超伝導体であるかどうかを調べるための理論的提案を行った。上記課題の解決にあたり、本論文においては、核磁気緩和率測定に着目し、第一原理計算から得られた模型を用いて核磁気緩和率の温度依存性とドーピング量依存性を計算した。その結果、トポロジカル超伝導体においては、全く新しい「逆コヒーレンス効果」という現象が超伝導転移温度直上で起きることを見いだした。これらの結果は、トポロジカル超伝導体を用いたデバイス開発に資する成果であり、広く原子力分野の材料開発のシミュレーション基盤開発にも資する成果である。
Kim, H.*; Lin, S.-Z.*; Graf, M.*; 宮田 佳典*; 永井 佑紀; 加藤 岳生*; 長谷川 幸雄*
Physical Review Letters, 117(11), p.116802_1 - 116802_5, 2016/09
被引用回数：12 パーセンタイル：25.83(Physics, Multidisciplinary)近年、物質の表面や界面に原子層数層程度の金属的電子伝導領域を作成しコントロールすることが可能となり、それらを用いた革新的デバイス作製へ向けて世界中で盛んに研究が行われている。特に、Si基盤上に再構成されたSi(111)表面(SiC)は、様々な原子層を載せることで電気抵抗ゼロを示すなど多彩な物性を示す。本論文では、このSiCの原子層のステップ状構造における電気伝導率を測定するための手法を開発したことを報告する。その際、PbのナノアイランドをSiC上に載せ低温で超伝導化させてその超伝導近接効果を走査型トンネル顕微鏡を用いて調べた。なお、上記課題の解決にあたり、走査型トンネル顕微鏡によって得られた測定データと超伝導近接効果を記述する理論計算を比較することで、原子層のステップ状構造の電気伝導率を決めることができた。これらの結果は、界面や表面を利用したデバイス開発に資する成果であり、広く原子力分野の材料開発のためのシミュレーション基盤開発にも資する成果である。
Smith, E. D. B.*; 田中 佳織*; 永井 佑紀
Physical Review B, 94(6), p.064515_1 - 064515_13, 2016/08
被引用回数：10 パーセンタイル：40.14(Materials Science, Multidisciplinary)銅酸化物高温超伝導体に代表される非従来型超伝導体は、様々な産業への応用が期待され世界中で盛んに研究されている。特に、高い超伝導転移温度を持つ有力な機能デバイス候補物質を探索することは、基礎応用どちらの面においても非常に重要である。本論文発表では、二次元トポロジカル超伝導体と呼ばれるスピン軌道相互作用の強い系において磁場を印加して生じる磁束格子相における電子状態を調べ、この超伝導体におけるカイラリティが磁束中の電子状態に顕著に反映されることがわかった。なお、上記課題の解決にあたり、磁場下の超伝導体を精度よく取り扱うための多項式展開手法を用いた並列シミュレーションコードの開発を行い、自己無撞着に安定に電子状態を計算することに成功した。本論文発表では、新しい機能デバイス候補物質である界面トポロジカル超伝導体の磁場下での特性を調べることができた。これらの結果は、磁場下でも安定なデバイス開発に資する成果であり、広く原子力分野のためのシミュレーション基盤開発にも資する成果である。
永井 佑紀; 中村 博樹
Journal of the Physical Society of Japan, 85(7), p.074707_1 - 074707_18, 2016/07
被引用回数：1 パーセンタイル：84.11(Physics, Multidisciplinary)銅酸化物高温超伝導体や鉄系高温超伝導体に代表される非従来型超伝導体は、様々な産業への応用が期待され世界中で盛んに研究されている。鉄系高温超伝導体などをデバイスとして応用するためには、第一原理計算などを駆使した物質の特徴を捉えたシミュレーション手法の開発が急務である。本論文発表では、上記課題に対し、平均場近似の範囲内で、あらゆる物質のハミルトニアンに適用可能な超伝導理論を確立したことを報告する。なお、上記課題の解決にあたり、従来用いられた準古典理論を大幅に拡張し、鉄系高温超伝導体やトポロジカル超伝導体などの新奇超伝導体群を取り扱えるように定式化した。そして、具体的な物質に対してこの理論を適用した。これらの結果は、超伝導体の基礎特性を明らかにする手法であるのみならず、第一原理計算と組み合わせることで物質の特徴を取り入れることができるため、様々な異なる物質系に適用可能であり、広く原子力分野の材料開発のためのシミュレーション基盤開発にも資する成果である。
