結晶学的知識を学習したAI~結晶構造予測タスクで世界最高性能に到達~

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2025-03-04 統計数理研究所

統計数理研究所とパナソニック ホールディングス株式会社の研究グループは、材料の組成から結晶構造を高速かつ高精度に予測する機械学習アルゴリズム「ShotgunCSP」を開発し、結晶構造予測のベンチマークで世界最高性能を達成しました。 従来の手法では、エネルギー評価のために多数の第一原理計算が必要で、大規模・複雑な結晶系の予測は困難でした。しかし、ShotgunCSPは、機械学習を用いて安定な結晶構造の対称性パターンを高精度で予測し、探索空間を大幅に絞り込むことで、計算コストを削減しつつ高精度な予測を可能にしました。この成果は、材料開発の効率化や新物質の探索に貢献することが期待されます。

<関連情報>

機械学習による形成エネルギーを用いたショットガン結晶構造予測 Shotgun crystal structure prediction using machine-learned formation energies

Liu Chang,Hiromasa Tamaki,Tomoyasu Yokoyama,Kensuke Wakasugi,Satoshi Yotsuhashi,Minoru Kusaba,Artem R. Oganov &Ryo Yoshida
npj Computational Materials  Published:20 December 2024
DOI:https://doi.org/10.1038/s41524-024-01471-8

結晶学的知識を学習したAI~結晶構造予測タスクで世界最高性能に到達~

Abstract

Stable or metastable crystal structures of assembled atoms can be predicted by finding the global or local minima of the energy surface within a broad space of atomic configurations. Generally, this requires repeated first-principles energy calculations, which is often impractical for large crystalline systems. Here, we present significant progress toward solving the crystal structure prediction problem: we performed noniterative, single-shot screening using a large library of virtually created crystal structures with a machine-learning energy predictor. This shotgun method (ShotgunCSP) has two key technical components: transfer learning for accurate energy prediction of pre-relaxed crystalline states, and two generative models based on element substitution and symmetry-restricted structure generation to produce promising and diverse crystal structures. First-principles calculations were performed only to generate the training samples and to refine a few selected pre-relaxed crystal structures. The ShotunCSP method is less computationally intensive than conventional methods and exhibits exceptional prediction accuracy, reaching 93.3% in benchmark tests with 90 different crystal structures.

1700応用理学一般
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