事前学習不要で短時間測定データから電子状態を可視化するAI解析法を開発 ~SPring-8の軟X線ARPESで実証、先端科学計測の課題克服へ~

2026-06-15 電気通信大学

電気通信大学、JASRI、熊本大学などの研究グループは、事前学習用データを必要としない新たなAI解析法を開発し、大型放射光施設SPring-8の軟X線角度分解光電子分光(ARPES)データへの適用に成功した。先端科学計測では、未知現象を対象とするため大量の教師データを準備できず、AI活用の障壁となっていた。本手法は深層ニューラルネットワークが持つ「Deep Prior(深層事前分布)」を利用し、1枚の測定画像のみから信号成分を抽出する。学習初期に信号構造を優先的に再現し、その後ノイズやアーティファクトを学習する特性を利用して、最適な時点で学習を自動停止する仕組みを導入した。実証実験では、CeRu₂Si₂の軟X線ARPESデータに含まれるランダムノイズや格子状アーティファクトを除去し、40秒や10秒の短時間測定データから電子のバンド構造を鮮明に可視化した。従来の2880秒測定データと比較しても主要な特徴を明瞭に抽出でき、最大約300倍の高速化の可能性が示された。今後はスピン分解ARPESや時間分解ARPES、さらにX線CTや中性子散乱などへの応用が期待され、AI for Scienceの実験現場導入を支える基盤技術となる可能性がある。

事前学習不要で短時間測定データから電子状態を可視化するAI解析法を開発 ~SPring-8の軟X線ARPESで実証、先端科学計測の課題克服へ~
軟X線ARPESへのAI解析適用の概念図。

<関連情報>

先端科学計測のための深層事前分布に基づくノイズ・アーティファクト除去法 Deep prior-based denoising for state-of-the-art scientific imaging and metrology

Yuichi Yokoyama, Kohei Yamagami, Yuta Sumiya, Hayaru Shouno and Masaichiro Mizumaki
Machine Learning: Science and Technology  Published: 12 June 2026
DOI:10.1088/2632-2153/ae67cf

Abstract

Deep learning has revolutionized computer vision, yet a major gap persists between complex, data-hungry deep learning models and the practical demands of state-of-the-art scientific measurements. To fundamentally bridge this gap, we propose deep prior-based denoising, a robust deep learning model that requires no training data. We demonstrate its effectiveness by removing grid artifacts in angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES), a long-standing and critical data analysis challenge in materials science. Our deep prior-based denoising yields clearer ARPES images while reducing measurement time by approximately 70-fold for quantitative analysis and up to 300-fold for qualitative assessment compared to conventional methods. This ultra-efficient approach to ARPES will enable high-speed, high-resolution three-dimensional band structure mapping in momentum space, thereby dramatically accelerating our understanding of microscopic electronic structures of materials. Beyond ARPES, deep prior-based denoising represents a versatile tool that could become a new standard in any advanced scientific measurement fields where data acquisition is limited.

1603情報システム・データ工学
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