スパースモデリングに基づく磁区パターンの位相回復アルゴリズムを開発~シングルショット計測での活躍が期待~

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2022-02-01 高輝度光科学研究センター,東京大学

発表概要

高輝度光科学研究センター(JASRI)や東京大学大学院新領域創成科学研究科らの研究チームは共同で、磁区構造に含まれるミクロな磁石の多くは隣り合った磁石と同じ強さで同じ方向を向いている、という性質をスパースモデリングによって取り入れた位相回復アルゴリズムを開発し、本手法がノイズや欠損を含むデータの解析に有効であることを明らかにしました。

磁区構造ではスピン磁気モーメントがそろった微小領域(ドメイン)が複数あり、様々な方向を向いています。それらは複雑な模様(磁区パターン)を示し、ハードディスクなどに用いられている強磁性材料全般で発現します。このような磁区パターンと磁性材料の性能の関係について近年議論されており、磁場などをかけた場合の磁区パターン変化の過程(ダイナミクス)を可視化することが、磁性材料性能向上のカギを握っている可能性があります。コヒーレントX線回折イメージング(CDI)はX線のシングルショットでナノメートルスケールの磁気構造を磁性元素ごとに可視化できるため、磁区のダイナミクス観測に適した手法です。ただし、CDIによって観測されたデータから磁区パターンの像を得るには位相回復法アルゴリズムなどによって位相情報を回復させる必要があります。シングルショット計測によるデータはノイズの影響が顕著で情報欠損も含まれるため、ノイズと欠損に耐性のある位相回復アルゴリズムが望まれていました。

本研究グループは、磁区パターン像の大部分の領域は変化が小さく、隣り合うドメイン同士の境目でのみ急激に変化するという性質に着目し、スパースモデリングを取り入れた位相回復アルゴリズムを開発しました。本手法を用いて、X線自由電子レーザーを入射光源としたシングルショット計測のシミュレーションを行い、ノイズと欠損の影響が大きいデータからでも迷路状の磁区パターンを再構成できることを示しました。さらに、磁区パターンが迷路状から別の模様に変化しても本手法により対応可能ということを明らかにしました。

今回開発した位相回復アルゴリズムを用いることにより、従来法では困難であったノイズや欠損を含むデータから磁区パターンの像を得ることが可能となります。実際のシングルショット計測に適用することで、磁気構造のダイナミクス研究を進展させると期待されます。

今回の研究成果は、JASRI横山優一博士研究員、水牧仁一朗コーディネータ、物質・材料研究機構山﨑裕一主幹研究員、東京大学大学院新領域創成科学研究科 岡田真人教授らのグループの共同研究によるもので、2022年2月1日に日本物理学会英文誌 「Journal of Physical Society of Japan」のオンライン版に掲載されました。

図: 迷路状磁区パターンのシングルショット計測を想定した位相回復シミュレーション。

発表内容

高輝度光科学研究センター(JASRI)や東京大学大学院新領域創成科学研究科らの研究チームは共同で、磁区構造に含まれるミクロな磁石の多くは隣り合った磁石と同じ強さで同じ方向を向いている、という性質をスパースモデリングによって取り入れた位相回復アルゴリズムを開発し、本手法がノイズや欠損を含むデータの解析に有効であることを明らかにしました。

磁区構造ではスピン磁気モーメントがそろった微小領域(ドメイン)が複数あり、様々な方向を向いています。それらは複雑な模様(磁区パターン)を示し、ハードディスクなどに用いられている強磁性材料全般で発現します。このような磁区パターンと磁性材料の性能の関係について近年議論されており、磁場などをかけた場合の磁区パターン変化の過程(ダイナミクス)を可視化することが、磁性材料性能向上のカギを握っている可能性があります。コヒーレントX線回折イメージング(CDI)はX線のシングルショットでナノメートルスケールの磁気構造を磁性元素ごとに可視化できるため、磁区のダイナミクス観測に適した手法です。ただし、CDIによって観測されたデータから磁区パターンの像を得るには位相回復法アルゴリズムなどによって位相情報を回復させる必要があります。シングルショット計測によるデータはノイズの影響が顕著で情報欠損も含まれるため、ノイズと欠損に耐性のある位相回復アルゴリズムが望まれていました。

本研究グループは、磁区パターン像の大部分の領域は変化が小さく、隣り合うドメイン同士の境目でのみ急激に変化するという性質に着目し、スパースモデリングを取り入れた位相回復アルゴリズムを開発しました。本手法を用いて、X線自由電子レーザーを入射光源としたシングルショット計測のシミュレーションを行い、ノイズと欠損の影響が大きいデータからでも迷路状の磁区パターンを再構成できることを示しました。さらに、磁区パターンが迷路状から別の模様に変化しても本手法により対応可能ということを明らかにしました。

今回開発した位相回復アルゴリズムを用いることにより、従来法では困難であったノイズや欠損を含むデータから磁区パターンの像を得ることが可能となります。実際のシングルショット計測に適用することで、磁気構造のダイナミクス研究を進展させると期待されます。

今回の研究成果は、JASRI横山優一博士研究員、水牧仁一朗コーディネータ、物質・材料研究機構山﨑裕一主幹研究員、東京大学大学院新領域創成科学研究科 岡田真人教授らのグループの共同研究によるもので、2022年2月1日に日本物理学会英文誌 「Journal of Physical Society of Japan」のオンライン版に掲載されました。

論文情報

題名:Phase Retrieval Algorithm based on Total Variation Regularization for Ferromagnetic Domain Patterns

日本語訳: 強磁性ドメインパターンのTV正則化位相回復アルゴリズム

著者:横山優一、山﨑裕一、岡田真人、水牧仁一朗

ジャーナル名: Journal of Physical Society of Japan

オンライン掲載日:2022年2月1日

DOI:10.7566/JPSJ.91.034701

用語解説

*1.スピン磁気モーメント
一定の速度で自転(スピン)している電子は1個の磁石として働く。この磁気の大きさがスピン磁気モーメントになる。

*2.コヒーレントX線回折イメージング
コヒーレントなX線を試料に照射し、遠方で観測されるフラウンホーファー回折を二次元検出器で観測する手法である。通常、試料の電子密度分布の観測に用いられるが、磁気円二色性を利用することで磁気構造の観測を行うこともできる。

*3.回折図形
ここでは、コヒーレントX線回折イメージングによって二次元検出器で観測された回折パターンのことを回折図形と呼ぶ。

*4.位相回復アルゴリズム
フーリエ変換を繰り返しながら位相情報を回復させる反復的アルゴリズムである。コヒーレントX線回折イメージングにおいて実空間像を再構成するために用いられる。最急降下法やそれを改良したhybrid-input-output(HIO)法などが知られている。

*5.スパースモデリング
スパースとはまばらであることを意味する。スパースな性質を利用して少ない情報から全体像を復元しようとする科学的モデリング手法をスパースモデリングと呼ぶ。

*6.TV正則化
Total variation正則化の略である。再構成したい画像が滑らかであると事前に分かっているとき、スパースモデリングでよく用いられる。

*7.X線自由電子レーザー
X線領域の自由電子レーザーである。高いコヒーレンスと短いパルス幅および大きなピーク輝度を持つ。日本のSACLAやアメリカのLCLSなどがある。

*8.大型放射光施設SPring-8
理化学研究所が所有する兵庫県の播磨科学公園都市にある世界最高性能の放射光を生み出す大型放射光施設で、利用者支援等はJASRIが行っています。SPring-8の名前はSuper Photon ring-8 GeVに由来しています。SPring-8では、放射光と呼ばれる非常に強い光を用いてナノテクノロジー、バイオテクノロジーや産業利用まで幅広い研究が行われています。

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新領域創成科学研究科 広報室

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