次世代超伝導材料開発への新アプローチ：計算と実験の融合による粒界制御技術の確立

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本研究では、固相焼結によって作製される多結晶型鉄系超電導材料BaFe2As2（Ba122）の電流輸送特性向上を目指し、そのカギとなる材料内部の粒界形成過程を定量的に予測するための数値シミュレーション技術の開発を行った。数値シミュレーションにより粒界形成を定量的に予測する際に必要となる、Ba122の未知の材料パラメータを実験データに基づき推定するために、固相焼結のフェーズフィールド（PF）シミュレーションにデータ同化技術を融合した新しい計算技術を開発した。銀粒子の固相焼結をベンチマーク問題として数値実験を行うことで、開発した計算技術は、焼結粒子形状の時系列データのみから材料内部の粒界変化と複数の未知パラメータを同時かつ高精度に推定可能であることを実証した。一方で、Ba122の実際の実験データを扱うためには、更なる計算コストの削減が必要であることも明らかになった。そこで、ベイズ最適化を応用することで計算コストを削減した、新しいデータ同化手法を開発した。そして、新手法は従来手法の半分以下の計算コストで材料パラメータの推定が可能であることを明らかにした。新しいデータ同化手法は、数値シミュレーションへの実装が容易であるという特徴も有する。したがって本研究の遂行により、当該課題への適用に留まらず、様々な現象に適用が可能な応用性の高い成果を得ることができた。本研究を遂行するにあたり超伝導材料合成を専門とする実験研究者と関わる中で、実験主体者が自らBa122の電流輸送特性向上を目指したプロセスインフォマティクスを行うことも目的遂行のために有効であると考えた。そこで、ベイズ最適化を誰でも容易に利用可能な世界初のGUIアプリケーションを開発した。この成果は、プログラミングや計算機環境の構築に不慣れな実験系研究者に、新たな研究の道筋を示すことが可能な成果である。