Development of coercive force theory by eXtended Landau Free Energy (XLFE)

通过扩展朗道自由能 (XLFE) 发展矫顽力理论

基本信息

批准号：
21H04656
负责人：
小嗣真人
金额：
$ 27.46万
依托单位：
Tokyo University of Science
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-05 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

今年度は、パーシステントホモロジーと機械学習と自由エネルギーを融合することで、「拡張型ランダウ自由エネルギーモデル」の基本原理を構築することができた。本モデルをLLGの磁区構造に適用することで、磁区構造の自動的な解釈を実行することができた。磁区構造データは、保磁力や磁化反転など、省エネルギーな磁性体の機能を特徴付ける重要な情報となる。しかしナノスケールの磁性体では複雑な相互作用を示すため、人間の目ではメカニズムの理解や場所の特定がむずかしく、デバイス設計はトライ＆エラーの繰り返しであった。今年度の研究では、トポロジーとデータサイエンスを融合した「拡張型ランダウ自由エネルギーモデル」を作成し、磁区構造データの解釈を自動化することができた。具体的には、パーシステントホモロジーと呼ばれるトポロジーの概念を用いて、複雑な磁区構造を特徴量として抽出した。次に解釈性の高い機械学習を用いて、情報空間上に新たなエネルギーランドスケープを描画し、「拡張型ランダウ自由エネルギーモデル」を作成した。これによって、ミクロな磁区構造とマクロな磁化反転現象を階層を超えて双方向接続でき、さらには起源となる物理的相互作用を定量的に解析できる。その結果、ナノ磁性体の磁化反転過程は、反磁界効果に支配されていることが明らかとなり、磁化反転を妨げているエネルギー障壁の空間的な集中を可視化することに成功することができた。本モデルは、物理学にねざした説明能力の高いAIモデルで、メカニズムが未解明なさまざまな材料に展開可能なものと期待される。成果はScientific Reports誌を始め5報の論文として纏められた。来年度はエントロピー項や実材料など、より現実的な系での応用研究を行い、解析手法の社会実装につなげる。

今年，通过结合持久同源性、机器学习和自由能，我们能够构建“扩展朗道自由能模型”的基本原理。通过将该模型应用于LLG的磁畴结构，我们能够自动解释磁畴结构。磁畴结构数据是表征磁性材料的矫顽力、磁化反转等节能功能的重要信息。然而，由于纳米级磁性材料表现出复杂的相互作用，人眼很难理解其机制或精确定位位置，并且设备设计一直是一个反复试验的过程。在今年的研究中，我们创建了一个结合拓扑和数据科学的“扩展朗道自由能模型”，并且能够自动解释磁域结构数据。具体来说，我们使用称为持久同源性的拓扑概念来提取复杂的磁域结构作为特征。接下来，我们使用高度可解释的机器学习在信息空间中绘制新的能源景观，并创建了“扩展的朗道自由能源模型”。这使得可以跨层双向连接微观磁畴结构和宏观磁化反转现象，此外，可以定量分析作为起源的物理相互作用。结果表明，纳米磁性材料的磁化反转过程是由退磁场效应控制的，并且他们能够成功地可视化防止磁化反转的能量势垒的空间集中。该模型是基于物理学的具有高解释力的AI模型，有望适用于多种机制未知的材料。研究结果被汇编成五篇论文，其中一篇发表在《科学报告》上。明年，我们将在更现实的系统中进行应用研究，例如熵项和真实材料，并将导致分析方法的社会实施。