AIが次々発見、スピン波を自在に操る人工結晶 ~未踏ナノ磁性体を創成・解明する「ゆらぎ設計エージェント」~

2026-07-29 東京理科大学,筑波大学,横浜国立大学,科学技術振興機構

東京理科大学、筑波大学、横浜国立大学、物質・材料研究機構(NIMS)などの共同研究グループは、説明可能AIと遺伝的アルゴリズム(GA)を組み合わせた「ゆらぎ設計エージェント」を開発し、スピン波を自在に制御できる新しいマグノニック結晶の設計に成功した。研究成果はSmall Structuresに掲載された。研究では、周波数領域マイクロ磁気シミュレーションを用いて、スピン波が伝搬できない周波数帯(マグノニック・バンドギャップ)が最大となる構造を自律探索した。その結果、従来未報告だったFe(鉄)とEuO(酸化ユーロピウム)からなる新規トポロジー構造を複数発見し、最大8.7GHz幅の広いバンドギャップを実現した。また、FFTと多次元尺度法(MDS)を用いてAIの探索過程を可視化した結果、高次バンドでは高性能構造が一つではなく複数存在することを明らかにし、設計空間の特徴を解釈可能な形で示した。本手法は、ブラックボックス化しやすいAI設計に説明性を与えるとともに、超低消費電力のスピン波デバイスや量子コンピューター、次世代AIハードウェアの材料設計を大きく加速する成果として期待される。

AIが次々発見、スピン波を自在に操る人工結晶 ~未踏ナノ磁性体を創成・解明する「ゆらぎ設計エージェント」~
図1 スピン波バンドギャップを目的特性としたマグノニック結晶の自律設計探索。

<関連情報>

I周波数領域マイクロマグネティクスを用いたトポロジー最適化による二次元マグノニック結晶の逆設計 nverse Design of Two-Dimensional Magnonic Crystals via Topology Optimization with Frequency-Domain Micromagnetics

Ryunosuke Nagaoka, Takahiro Yamazaki, Chiharu Mitsumata, Yuma Iwasaki, Masato Kotsugi
Small Structures  Published: 28 July 2026
DOI:https://doi.org/10.1002/sstr.70526

Abstract

Magnonic crystals (MCs) offer magnetic platforms for manipulating propagation characteristics of magnons, the quanta of spin waves. Due to the complex relationship between lattice geometry and magnonic band dispersion, establishing general design strategies for optimizing targeted MC properties remains challenging. This study presents a topology optimization framework for two-dimensional MCs based on binary combinatorial optimization with genetic algorithms, combined with frequency-domain micromagnetic simulations. The established design agent identifies several previously unreported MC designs, and time-domain micromagnetic simulations confirm that they exhibit up to 98% larger bandgaps than the previous best-performing design. The data-driven visualization of the design landscape further indicates that the optimization landscape becomes increasingly non-convex for higher-order bands, implying the existence of several design solutions. The framework is extensible to experimentally accessible material systems and device dimensions, providing a basis for establishing design rules for MCs.

0403電子応用
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