大型放射光施設 SPring-8

公開日

2021年08月30日

2021年8月30日
高輝度光科学研究センター
科学技術振興機構

【研究の背景】
　磁気コンプトン散乱^(*1)は左右円偏光X線^(*2)を用いて得られるスペクトル(散乱強度のエネルギー依存性)の差分で定義され、そのスペクトルには磁石の強さを表すものであるスピン磁気モーメント^(*3)とそれを構成する3d・4s電子軌道^(*4)に関する情報が含まれています。スピン磁気モーメントはスペクトル強度を積分することで得られ、3d・4s電子軌道の形状という情報は、スペクトルを成分分解することで得られます。これらの情報を分析することで磁石などの磁性材料の磁気的な強さがわかり、磁性材料の高性能化が可能となります。磁気コンプトン散乱のシグナルは非常に弱く、上記情報の十分なスペクトルを得るのに非常に時間がかかる測定ですが、試料内部までの電子状態が観測できる唯一無二の方法です。そこで得られる情報の精度を落とさず測定時間を短縮化する方法の開発が望まれていました。

【研究内容と成果】
　本研究グループは、今回、大型放射光施設SPring-8^(*5)のBL08Wを使って、ベイズ推定^(*6)に基づくベイズ分光を、磁気コンプトン散乱スペクトルの解析に適用し、測定者の要請した精度でスピン磁気モーメントの大きさを求めるための測定時間を決定しました。ベイズ推定は、因果律^(*7)を遡って現象の原因を評価する手法でデータ駆動科学^(*8)における学理構築法です。ベイズ分光はスペクトル分解にベイズ推定を組み込んだ解析法です。
　これまでの解析法ではスピン磁気モーメントの精度をデータから直接推定することができず、研究者が磁気コンプトン散乱強度の統計精度から間接的に評価するしか方法がなかったため、スピン磁気モーメントの推定精度に曖昧さが残ってしまうという問題点がありました。ベイズ分光は、求めたいスピン磁気モーメントの事後確率分布^(*9)を推定することができるため、スピン磁気モーメントの推定精度の評価が可能です。従って、推定精度が要求される精度に到達すれば、測定を終了するという枠組みの構築が可能となりました。この枠組みを用いることで、スピン磁気モーメントの大きさを小数点第2位の精度で評価するには従来の測定時間の20分の1で十分であることがわかりました（図）。

【今後の展開】
　今回構築に成功したベイズ分光を用いた解析法により測定時間を大幅に短縮できるため、様々な条件で作製された多数の材料の測定が可能となります。これにより、材料の作製条件の最適化への指針を得られることから、磁気コンプトン散乱を用いた磁性材料の研究開発が促進されることが期待されます。また、今回の解析方法は測定時間を人に頼らずにコンピュータが自動決定できる手法でもあり、今後自動測定システム開発に重要な役割を果たすと期待されます。

　本研究は、JST戦略的創造研究推進事業 CREST 研究領域「計測技術と高度情報処理の融合によるインテリジェント計測・解析手法の開発と応用」（研究総括：雨宮 慶幸）における研究課題「データ駆動科学による高次元Ｘ線吸収計測の革新」（研究代表者：赤井 一郎）の助成を受け、SPring-8の利用研究課題として行われました。

【用語解説】