東大ら,励起状態の電子構造をAIで予測

東京大学,産業技術総合研究所の研究グループは,励起状態にある電子構造を人工知能(AI)で予測する新手法を開発した(ニュースリリース)。

半導体設計や電池開発,触媒解析など,物質開発の現場では,物質の構造を調べるためにスペクトルが日常的に測定されている。例えば,X線や電子線を照射して物質中の電子を励起し,励起状態に応じて測定されるスペクトルを解析することで,物質の原子配列と電子構造を調べる。

ところが,測定されたスペクトルの意味を理解するにはコンピューターで励起状態を再現して,スペクトルを理論計算する必要があり,その大規模で複雑な計算には膨大な時間がかかっていた。また,励起状態を利用するスペクトルは環境物質の同定や,血液診断など,さまざまな分野で使用されている。その重要性に反して,励起状態は複雑で,十分には理解されていなかった。

そこで,研究グループは高速・高精度で励起状態を予測する手法の開発を目指し,まずは酸化シリコンの結晶とアモルファスから,励起状態と基底状態のスペクトルをそれぞれ約1,200個計算し,データベース化した。

次にこのデータをもとに,励起する前(基底状態)と励起した後(励起状態)の関係性を,ニューラルネットワークに学習させた。その結果,基底状態の情報を入力すると,励起状態の情報を高精度に出力する人工知能を構築することに成功した。

この手法により,時間を要するスペクトルの理論計算を人工知能に置き換えることで,従来よりも数百倍と大幅に高速化することが可能になった。また,この研究を通して,励起状態に関する重要な知見を得ることができた。

例えば,酸化シリコンの励起状態が,酸化マグネシウムや酸化アルミニウムなどの酸化物の励起状態と類似していることや,“結晶”と“アモルファス”ではその励起状態が異なることも突き止めた。これらの知見は,人工知能技術を利用することで,初めて明らかになった。

この手法は励起状態が関わるスペクトルに使用することが可能となる。この手法を活用することで,物質の構造解析や,環境物質調査,医療診断に要する時間を大幅に短縮することができ,物質科学や環境問題の解決や,医療技術の発展にも大きく貢献できるとしている。

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