Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

自然知能 / 組み合わせ最適化 / スピングラス / 相変化材料 / コロイド結晶 / アニーリング / 最適化問題 / 表面プラズモン / コロイド粒子 / プラズモン / フォノンポラリトン / フラストレーション / 応用光学・量子光工学 / 先端機能デバイス / 光物性 / 流体工学

スピングラスの解探索を目的とした物理計算機の開発を２つのアプローチで試みた。１つはスピングラスを結合振動子系に置き換え、その最低固有モードを求める問題に変換するものである。アルゴリズムとしての評価を実施し、既存の焼きなまし法と比較して約１桁の計算時間短縮が確認された。また物理実装法として、結合プラズモン粒子系において、粒子間相互作用を相変化材料によって自律的に調節し、高速で最適解に到達するスキームを考案した。２つめは、フラストレーションをかかえたスピン格子系と等価な２次元コロイド結晶に着目した。１umのポリスチレンビーズを使った物理実装を実現し、最適解に至るアニーリング過程を可視化した。

相変化材料による演算・記憶機能が大域的に相関を形成することを実証し、その機構の多様性、多自由度性と複雑性に基づく入出力相関の中にコンピューティング機能、さらには広義の知性を見出す契機となった。これらの研究を通して非ノイマン型コンピューティングの新しい着想と設計論が生まれると期待され、工学的意義は大きい。
既存のアルゴリズムの実装によるコンピューティング機能の実証を通して、脳機能や複雑な自然・社会現象の理解を目的とした構成論的アプローチ、すなわち複雑な相互作用、相関形成機能を内在したシミュレータを実際に動かして現象の理解に役立てるへの応用という新しい視座を得ることができた。

物性基礎論 / 計算物理 / アルゴリズム / 統計物理 / 拡張アンサンブル法 / モンテカルロ法 / 稀な事象 / スピングラス / 相転移 / リエントラント / 拡張アンサンブル / フラストレーション / 交換法 / 臨界現象 / 力学系 / カオス

(1)稀な事象を効率よくサンプルするためのモンテカルロ法の応用:前年度に開発されたモンテカルロ法を用いて,稀に起こる事象が物理や統計の分野で重要な役割を果たす問題に応用を試みた.一つの例は希釈磁性体におけるグリフィス特異性の直接数値検証である.そこでは非常に小さな確率で実現する大きなクラスターからの帯磁率の寄与が特異性の原因となっている.つまり,稀に存在するクラスターをその確率を評価しながら実現させるところが困難であるが,我々の芳法を用いて直接巨大なクラスターの抽出に成功し,その特異性の定量的な解析が可能になった.今後は巨大クラスターの統計的性質を議論する方向への研究の展開が期待される.全く同じ方法をスピングラスと呼ばれる問題へ直接応用することは困難であったが,別の観点からグリフィス特異性を分配関数の虚数温度のゼロ点としてとらえることができ,その数値解析を行った.物理的に意味のある特異性は実軸への接触であるが,この問題では実軸にもっとも近いゼロ点の存在自体が稀な事象となっている.ここでも我々のモンテカルロ法が強力であり,スピングラス系で初めてグリフィス相の存在を明らかにすることができた.また,情報理論の符号の問題に応甫し,稀に存在する大きなビットエラーを引き起こすノイズの抽出に成功している.
(2)解の個数の統計力学的数え上げ:近年の拡張アンサンブル法を用いたモンテカルロ法の一つのメリットはエントロピーや自由エネルギーの計算の精度がよいことである.我々はその特徴を生かして,非常に巨大な数の数え上げをエントロピーの計算些より実現する方法を提案した.具体例として,数独のような制約充足問題の解の個数の評価を試みた.本研究ではヒントの無い数独の解の個数の評価を行った,一般のグリッド数に拡張した数独の問題では通常の9グリッド以上では厳密解はなかったが,我々は49グリッドまでの計算に成功した.

層状遷移金属オキシ硫化物 / 金属-非金属転移 / X線光電子分光 / 強相関電子 / 2次元反強磁性体 / 高温超伝導関連物質 / CoO_2平面 / フラストレーション / 2次元反強磁性相関 / スピンの揺らぎ / スピングラス / 高温超伝導体関連物質

CoO_2平面とThCr_2Si_2型SrCu_2層S_2を有する新規な層状遷移金属オキシ硫化物(Sr_2Cu_2CoO_2S_2,I/4mmm)の物性と発現機構を探求し,以下のような知見を得た.(1)本物質はネール温度T_N=200Kのp型反強磁性半導体である.(2)140K(=T_t)以上では,磁化率(χ)は,K_2NiF_4型反強磁性化合物に見られるような,2次元反強磁性相関が強く現われたブロードなピークを示す.(3)140K〜200Kにおいて,高効率粉末中性子散乱(NPD)実験により観測される磁気ピークは,K_2NiF_4型類似のCoO_2平面の磁気配列によるものであるが,140K以下では,反強磁性構造が2次元的から3次元的なものへ変化している.(4)初透磁率の温度微分(dμ/dT)曲線のT_t近傍にキンクが観測される.(5)このキンクは,圧力をかけると,大きく高温側へシフト(dT_t/dP=13.5K/kbar)し,3次元反強磁性構造が高圧力下では安定であることを示唆している.(6)T_t以上の電気伝導性は最近接間のホッピング伝導による.(7)光電子分光測定・クラスター解析によれば,Cu_2S_2層のCuイオンの価数は1価的(Cu^+;d^<10>)であり,CoO_2平面は強相関電子(d電子間クーロン反発力:U=5eV,p-d電荷移動エネルギー:Δ=4.2eV)であることから,Sr_2Cu_2CoO_2S_2の磁性は,Cu_2S_2層ではなく強相関電子系CoO_2平面に起因している.(8)CoO_2平面へCuを40%以上ドープすると,200K以上で金属化し,系が金属に近づいていることを示唆している.したがって,Sr_2Cu_2(Co,Cu)O_2S_2はZaanen-Sawatzky-Allen電子相図において,強相関電子系金属の近傍に位置していると言える.今後,2次元反強磁性相関が強く残っていると予想されるSr_2Cu_3O_2S_2等の全置換体における量子機能開拓やその物性制御要因の解明が新しいCu_2S_2型ブロック層をもつ新規高温超伝導体や層状磁性体等の開発につながるものと期待できる.

【研究分担者】
伊庭幸人	情報・システム研究機構統計数理研究所	予測制御研究系	准教授	(Kakenデータベース)