日本物理学会誌
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交流
  • 古家 真之介
    原稿種別: 交流
    2021 年 76 巻 12 号 p. 766-772
    発行日: 2021/12/05
    公開日: 2021/12/05
    ジャーナル 認証あり

    自然科学の分野の一つである計算科学は,科学技術計算により支配方程式の解を求めて現象を理解していく.この科学技術計算は非常に時間がかかる計算を実行することが多く,ハイパフォーマンスコンピューティング(High Performance Computing,HPC)の技術が不可欠となっている.例えば計算を高速化するためにアクセラレーターを利用する方法があり,その一つがGPU(Graphics Processing Unit)である.初期のGPUは3Dレンダリングのように決まった処理を実行するのみであったが,プログラマブルシェーダーの登場により処理内容を動的に変更できるようになった.さらにCUDAの開発により,グラフィックス以外のアプリケーションでも比較的容易にGPUを利用できるようになった.

    アプリケーションをGPUで高速化するには,大きく分けて3つの方法がある.GPUで高速化されたライブラリを用いる方法,既存のC/C++やFortranのプロブラムでOpenACCを利用する方法,そして専用の言語であるCUDAを用いたプログラムを書く方法である.GPUコンピューティングの黎明期は選択肢が少なくCUDAを用いることが多かったが,最近ではコンパイラが成熟してきたこともありOpenACCの利用が増えている.

    科学技術計算では,対象となる数値計算の規模が大きくなると,スーパーコンピューターを用いるのが一般的である.そのランキングTOP 500では2010年代に入るとアクセラレーターを搭載したものが増えており,GPUが多数を占める.初期のGPU搭載機として有名なのは,長崎大学のDEGIMAと東京工業大学のTSUBAMEである.つまり,最近のスーパーコンピューターのトレンドであるGPUの搭載は,日本から始まったのである.

    実際のアプリケーションでは,メモリアクセスが速いことを活かして流体解析に用いられることが多かった.分子動力学のシミュレーションもGPU黎明期からその利用に積極的で,第一原理計算など様々な分野でも使われるようになってきた.最近では機械学習を利用するものもある.第一原理計算の精度で分子動力学のシミュレーションを実行するには,現在では多くても数千原子程度の規模である.しかし機械学習ポテンシャルを用いることにより,第一原理の精度を保ったまま1億原子のシミュレーションを実施した例が出てきた.また機械学習だけで物理量を得る方法も開発が進んでおり,例えばPhysics-Informed Neural Network(PINN)は,非線形微分方程式で記述される物理法則に従うモデルを構築することができ,流体解析において流速と圧力が通常の流体解析と定性的によく一致するなどの結果を得ている.

    これらとは全く異なる新しい流れとして,量子コンピューターも最近話題となっている.そのシミュレーターでは,GPUを用いることにより量子回路シミュレーションに必要な状態ベクトルの演算やテンソルネットワークのシミュレーション速度が飛躍的に向上するのである.

    機械学習がGPUで高速化されたことにより,科学技術計算でも機械学習を利用する例が増えている.このようにGPUコンピューティングはこれからも新しい世界を切り拓き,様々な分野への適用が広がっていくであろう.

最近の研究から
  • 藤澤 利正, Chaojing Lin
    原稿種別: 最近の研究から
    2021 年 76 巻 12 号 p. 773-777
    発行日: 2021/12/05
    公開日: 2021/12/05
    ジャーナル 認証あり

    量子ホール効果は,強磁場中の二次元電子系のホール抵抗が量子化する現象として広く知られており,半導体積層構造(Si MOS,AlGaAs/GaAsなど)や原子層薄膜(グラフェンなど)など,様々な物質系で観測されている.ランダウ量子化によって起こる整数量子ホール効果,クーロン相互作用によって起こる分数量子ホール効果がみられ,エニオン統計を示す分数電荷準粒子など,多彩な物性を示す.量子ホール状態は典型的な二次元トポロジカル絶縁体であり,試料内部(バルク)は絶縁化し,試料端(エッジ)に一次元の伝導チャネル(エッジチャネル)が形成される.磁場の向きによって決まる一方向の伝導を示すエッジチャネルによって,量子化ホール抵抗や縦抵抗の消失を明快に理解することができる.

    量子ホール系における低エネルギー励起は,エッジプラズモンとよばれる電子の集団励起であり,量子ホール系の応答を理解するうえで非常に重要な役割をなす.試料端に複数の一次元チャネルが近接して存在している場合,結合プラズモンモードが現れ,特異な非平衡現象を引き起こすことが知られており,最近の話題の1つになっている.本研究では,近接するチャネル間に相互作用やトンネリングが存在する場合の結合モードに着目する.

    チャネル間に短距離のクーロン相互作用のみがある場合には,朝永ラッティンジャー液体モデルに相当する.ランダウ占有率2の整数量子ホール系では,試料端にスピンがアップとダウンの2つのチャネルがあり,それらが結合した電荷モードとスピンモードが形成される(スピン電荷分離).この相互作用に支配された領域(相互作用支配領域)では,各モードの詳細はチャネルの相互作用の強さに依存しているため,純粋な(スピンのない)電荷モードと(電荷のない)スピンモードになるとは限らない.実際,最近の実験でも,非対称なモードの形成が確認されている.

    もう1つの重要な結合モードの例は,ランダウ占有率2 / 3の分数量子ホール系で,対向する整数エッジチャネルと分数エッジチャネルの結合系が試料端に現れる.この場合,不純物などのディスオーダーに起因したトンネリングが支配的であり,電荷モードと中性モードが現れることが最近の実験でも確認されている.この散乱支配領域の特徴は,散乱(トンネル)によって中性モードが散逸的で短い寿命を示すのに対して,散乱を避けるかのように純粋な電荷モードが形成され安定で長い寿命を示すと期待されている.

    上記の相互作用支配領域と散乱支配領域のモードは,異なる量子ホール系(整数/分数)で,異なる測定手法(高周波測定/ノイズ測定)を用いて研究されてきたため,統一的な理解には至っていなかった.本研究では,同一試料を用いて時間分解の波束測定を行い,整数(占有率2)および分数(占有率2 / 3)によらず,散乱支配領域で量子化された純粋な電荷モードを示すことを明らかにした.

    このような結合プラズモンモードを理解するうえで,プラズモン散乱モデルが有効である.これは,静電容量と抵抗によって相互作用とトンネルを表し,エッジチャネルを伝搬する電荷密度の波(プラズマ振動モード)の散乱をモデル化するもので,現実の素子構造に対応したパラメータで系を記述できるとともに,標準的な場の理論のモデルとの対応をとることもできる.

    これらの結合プラズモンモードの実験・解析により,分数量子ホール効果の階層構造や,エッジ再構成によって多チャンネル化したエッジ構造,さらに量子スピンホール効果のような二次元トポロジカル絶縁体に現れる非平衡現象を明らかにするツールとなると考えられる.

  • 木村 成生
    原稿種別: 最近の研究から
    2021 年 76 巻 12 号 p. 778-783
    発行日: 2021/12/05
    公開日: 2021/12/05
    ジャーナル 認証あり

    2020年のノーベル物理学賞はブラックホールの存在を理論的に予言したペンローズ氏と,天の川銀河の中心部に太陽の400万倍の質量をもつブラックホールが存在することを観測的に示したゲンツェル氏とゲズ氏に与えられた.また,2019年にEvent Horizon TelescopeチームはM87銀河の中心にあるブラックホールの影の撮像に成功し,天の川銀河以外の銀河の中心部にも超大質量ブラックホールが存在することを示した.銀河内部の星間ガスがこれらの超大質量ブラックホールへと多量に落ち込むと,膨大な重力エネルギーが解放され,ブラックホールへ落ち込むガス流(降着流)は赤外線からX線で明るく輝く.このような天体を活動銀河核とよぶ.

    ブラックホール近傍では降着流が10億度を超える高温状態となり,粒子同士のクーロン散乱が非効率な無衝突プラズマになる.そこでは粒子分布は熱的なマクスウェル分布から外れ,非熱的な高エネルギー粒子が存在できる.しかし,無衝突プラズマ中でのエネルギー散逸過程はよくわかっておらず,解放された重力エネルギーを熱エネルギーや非熱的粒子のエネルギーへと変換する過程はわかっていない.高エネルギーの陽子はハドロン相互作用を通じて高エネルギーガンマ線やニュートリノを放射するため,高エネルギー粒子信号を用いて無衝突プラズマ中でのエネルギー散逸機構を調べることが可能となる.一方,大規模実験により宇宙から降り注ぐ高エネルギー荷電粒子(宇宙線)や天体起源のニュートリノが検出されているが,その起源と生成過程は未解明であり,宇宙線・宇宙物理学領域の大問題となっている.ブラックホール降着流は天体高エネルギー粒子の新たな起源天体候補であり,そこでの高エネルギー現象を明らかにすることで宇宙線や天体ニュートリノの起源に迫ることができる.

    ブラックホール降着流は磁気流体力学的に不安定であり,乱流が発達することが知られている.乱流のエネルギーはプラズマの運動論的効果によって散逸し,一部が宇宙線の生成に使われると考えられている.生成された宇宙線はより大きいスケールの乱流場と相互作用し,さらに高エネルギーへと加速されていくと予想される.加速された宇宙線陽子は背景物質と相互作用してガンマ線やニュートリノを生成する.我々はこの現象を定式化してブラックホール降着流から逃走するニュートリノとガンマ線の放射強度を計算し,それらがIceCube実験の天体ニュートリノデータを自然に説明できることを示した.また,近傍の活動銀河核から放射されるガンマ線とニュートリノは将来のガンマ線衛星計画やニュートリノ実験計画で点源として検出できるため,このモデルは手堅く検証可能である.

    上記の研究では宇宙線と乱流場の相互作用を準解析的に取り扱ったが,それには多くの単純化が必要であり,その妥当性を検証する必要がある.粒子加速過程では乱流場の非線形発展と波と粒子の相互作用という非線形な現象が本質的であるため,数値シミュレーションによる研究が必要である.我々は磁気流体計算とテスト粒子計算とを組み合わせるという方法で降着流内部での粒子加速過程を調べ,降着流での粒子加速過程はエネルギー空間の拡散現象として表現できることも示した.

    ブラックホール降着流での高エネルギー現象は,プラズマ物理,天体物理,素粒子物理など,様々な研究分野が絡んだ学際的研究である.今後の計算技術・観測技術・実験技術の向上によってさらなる発展が期待されている.将来の高感度のMeVガンマ線衛星と大規模ニュートリノ実験により,近い将来,天体ニュートリノの起源天体,さらに発見以来50年間にわたって謎である高エネルギー宇宙線の起源天体が明らかになる日が来るかもしれない.

実験技術
  • 谷森 達, Joseph Parker, 高田 淳史
    原稿種別: 実験技術
    2021 年 76 巻 12 号 p. 784-791
    発行日: 2021/12/05
    公開日: 2021/12/05
    ジャーナル 認証あり

    放射線検出器は約120年の歴史があるが,検出原理はあまり変わっていない.放射線が物質中で起こすエネルギー損失を,電離損失またはシンチレーション等の発光現象を通して測定する.一方,放射線と物質の相互作用によって,入射粒子の方向・粒子識別等の情報が反応の幾何学的構造として残されている.反応の3次元計測によって初めてこれらの情報が得られる(トポロジー計測法).そのような情報はわずかに写真乾板や霧箱等で測定されたが,広く利用されることはなかった.近年,素粒子や原子核と物質の相互作用の研究は大きく進歩し,粒子反応の3次元測定が不可欠となり,現在は一般的な実験手法となった.ただそのような実験には複数の装置を組合せた大規模な装置が必要である.

    様々な放射線計測において3次元計測ができれば,困難な放射線の方向測定や粒子識別が高精度で実現できる.しかし放射線のエネルギーはMeV程度と低く,固体中での飛跡はμm以下のスケールとなり困難である.それを可能にする検出器は1970年代に登場したガスTime Projection Chamber(TPC)である.ガス槽と1枚の2次元検出器のみで3次元計測を実現した.この画期的な手法はそれ以後,素粒子原子核実験の中心的飛跡検出装置として広く用いられている.ただTPCは多くの信号処理を必要とする大型装置であり,小型の放射線検出器に導入できるという考えはなかった.

    希薄なガス中では放射線の飛跡もミリメートルスケールに拡大され,原理的にTPCで3次元計測が可能となる.我々は2000年当時,サブミリメートル間隔で信号が得られる新しいガス増幅位置検出器Micro Pattern Gas Detector(MPGD)の開発中に,簡単な回路で微弱なα線飛跡が検出できることを見出した.この発見をもとにして,すぐさまガンマ線コンプトン散乱の3次元計測用にMPGDを用いたTPC( μTPC)を開発した.世界初の電子式霧箱の実現である.ディスプレイ上に霧箱同様のジグザグなβ線飛跡のトポロジーが見えたときの感動は忘れられない.

    この時期,大強度放射光の利用拡大や医療でのX線・ガンマ線診断等で放射線イメージングが大きく発展した.さらにダイナミックスを捉えられる時分割イメージング技術も出てきた.そのようななか,新しいプローブとしてJ-PARC大強度中性子利用が提案された.中性子はX線の苦手な軽元素に強く反応する等の特徴を活かし,タンパク質の物質構造解析や生命分野での利用が期待された.特にパルス中性子源を使えば,中性子飛行時間からエネルギー弁別や時分割イメージングが可能となる.このためJ-PARCでの中性子イメージング利用が非常に期待された.一方成果を得るためには中性子源から大量に発生するガンマ線の除去,中性子飛行時間計測,さらにX線同等の高位置分解能・高計数率が求められ,その実現は困難と思われた.

    我々は全く異なる宇宙線物理で開発したμTPCを利用し,熱中性子と3Heによる(n, p)の反応のトポロジー計測を行うことで,これら要求の大半を満たす画像装置μNID(μ-PIC-based Neutron Imaging Detector)を短期間で実現した.現在多くの利用者に利用され新しい中性子イメージング解析の成果が出てきている.

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