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へ〜　

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〜

概要

　本学工学部機械物理系学科・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次元物質に対する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である全反射高速陽電子回折（TRHEPD，トレプト）法（図1）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。

※詳細はプレスリリース（PDF594KB）をご覧ください。

研究展望

　本研究で開発された汎用データ解析ソフト2DMATを活用することにより、様々な量子ビーム計測技術が、その潜在能力をフルに発揮できるようになります。2DMAT普及に向けた講習会も開かれ（2021年4月，2022年4月）、大学や企業の研究者にも波及しつつあります。これまで課題であった構造解析が容易になれば、2次元物質研究は新展開を迎え、次世代触媒・次世代電子デバイスの新素材開発や、産業利用へ向けた応用研究が加速することが期待されます。

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、和訳：データ解析ソフトウェアフレームワーク2DMATと2次元物質構造計測への応用

著者： 本山裕一1、吉見一慶1、望月出海2、岩本晴道3、一ノ瀬颯人3、星健夫3、4、5、2

所属：1東京大学物性研究所、2高エネルギー加速器研究機構物質構造科学研究所低速陽電子実験施設、3鳥取大学大学院工学専攻、4鳥取大学工学部機械物理系学科、5鳥取大学工学部附属先進機械電子システム研究センター

URL：https://doi.org/10.1016/j.cpc.2022.108465

研究助成

　本研究は、以下の支援を主に受けています。東京大学物性研究所ソフトウェア開発・高度化プロジェクト(2020年度，2021年度）（提案代表：星健夫）、科研費基盤（B）「超並列マシンを用いた計算統計と測定技術の融合」（代表：星健夫)、科研費基盤（C）「全反射高速陽電子回折によるチタニア表面の光照射反応におけるモルフォロジ変化の解明」（代表：望月出海）、科研費基盤（C）「全反射高速陽電子回折によるSi(111)7×7再構成表面の原子座標の決定」（代表：兵頭俊夫）、科研費基盤（B）「実用表面材料開発研究のための高効率な全反射高速陽電子回折実験システムの開発」（代表：和田健）、科研費基盤（A）「物理学・情報科学に共通する大規模行列関数の総合的数値計算法の創成」（代表：曽我部知広）、スーパーコンピュータ「富岳」利用課題（課題番号：hp210228, hp210267）。