DONUTによるリアルタイムX線データ解析で材料科学の発見を加速(A Taste of Discovery: Realtime X-ray Data Analysis with DONUT Accelerates Materials Science at Argonne)

2026-08-10 アルゴンヌ国立研究所(ANL)

アルゴンヌ国立研究所(ANL)などの研究チームは、X線ナノ回折データをリアルタイムで高速解析する、物理法則を組み込んだ機械学習手法「DONUT」を開発した。走査型X線ナノ回折顕微鏡は、材料のナノスケールの構造や不均一性を調べる重要な手法だが、回折データの解析には計算負荷が大きく、実験中のリアルタイム解析が課題となっていた。DONUTは、微分可能な幾何学的回折モデルをニューラルネットワークに直接組み込み、実験データから教師データや事前学習なしで結晶格子のひずみや配向を推定する。実験では、従来のフィッティング手法と同等以上の精度を保ちながら、データ解析を200倍以上高速化できることを実証した。これにより、材料を観察しながら構造変化を即座に解析し、実験条件をリアルタイムで調整することが可能になる。動的な条件下にある複雑材料の理解や、材料科学における発見の高速化につながることが期待される。

An electron microscope and colorful images create a visual representation of autonomous microscopy.
DONUT makes it easier to cut through layers of complex data and reach the sweet spot of scientific discovery, turning X-ray measurements into real-time insights for researchers at the APS. (Image by ChatGPT.)

<関連情報>

DONUT:リアルタイムX線ナノ回折解析のための物理法則を考慮した機械学習 DONUT: physics-aware machine learning for real-time X-ray nanodiffraction analysis

Aileen Luo,Tao Zhou,Ming Du,Martin V. Holt,Andrej Singer & Mathew J. Cherukara
npj Communications Materials  Published:16 December 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s41524-025-01860-7

Abstract

Coherent X-ray scattering techniques are critical for investigating the fundamental structural properties of materials at the nanoscale. While advancements have made these experiments more accessible, real-time analysis remains a significant bottleneck, often hindered by artifacts and computational demands. In scanning X-ray nanodiffraction microscopy, which is widely used to spatially resolve structural heterogeneities, this challenge is compounded by the convolution of the divergent beam with the sample’s local structure. To address this, we introduce DONUT (Diffraction with Optics for Nanobeam by Unsupervised Training), a physics-aware neural network designed for the rapid and automated analysis of nanobeam diffraction data. By incorporating a differentiable geometric diffraction model directly into its architecture, DONUT learns to predict crystal lattice strain and orientation in real-time. Crucially, this is achieved without reliance on labeled datasets or pre-training, overcoming a fundamental limitation for supervised machine learning in X-ray science. We demonstrate experimentally that DONUT accurately extracts all features within the data over 200 times more efficiently than conventional fitting methods.

1603情報システム・データ工学
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