Японски учени са разработили "разширен модел на свободната енергия на Ландау", който да послужи за причинно-следствен анализ и визуализация в наномагнитни устройства с помощта на изкуствен интелект и топология.
Микроскопският анализ на материалите е от съществено значение за постигане на желаната производителност в наноелектронните устройства от следващо поколение, като например ниска консумация на енергия и високи скорости. Магнитните материали, участващи в такива устройства, обаче често показват невероятно сложни взаимодействия между наноструктурите и магнитните области. Това, от своя страна, прави функционалния дизайн труден.
Традиционно изследователите извършват визуален анализ на данните от микроскопичните изображения. Това обаче често прави интерпретацията на тези данни качествена и силно субективна. Това, което липсва, е причинно-следствен анализ на механизмите, които са в основата на сложните взаимодействия в наноразмерните магнитни материали.
В неотдавнашен пробив изследователският екип успя да автоматизира интерпретацията на данните от микроскопичните изображения. Това е постигнато с помощта на "разширен модел на свободната енергия на Ландау", който екипът е разработил, използвайки комбинация от топология, наука за данните и свободна енергия. Моделът може да илюстрира физическия механизъм, както и ключовото място на магнитния ефект, и предлага оптимална структура за нано-устройство. Моделът използва физични характеристики, за да очертае енергийните хоризонти в информационното пространство, което може да помогне да се разберат сложните взаимодействия в наномащаб в голямо разнообразие от материали.
Подробности за изследването са публикувани на 29 ноември в списание Scientific Reports. Изследването е ръководено от проф. Масато Коцуги (Masato Kotsugi) от Токийския научен университет в Япония.
Диаграма на разсейването на резултатите от намаляването на размерността при анализа на принципните компоненти. Цветът представлява общата енергия. Връзката между магнитната област и общата енергия е свързана в обяснимо информационно пространство. Кредит: Masato Kotsugi / Tokyo University of Science
"Конвенционалните анализи се основават на визуална проверка на изображения от микроскоп и връзките с функцията на материала се изразяват само качествено, което е основна пречка за проектирането на материали. Нашият разширен модел на свободната енергия на Ландау ни позволява да определим физическия произход и местоположението на сложните явления в тези материали. Този подход преодолява проблема с обяснимостта, с който се сблъсква дълбокото обучение, което в известен смисъл е равносилно на изобретяване на нови физични закони", обяснява професор Коцуги.
Диаграма на разсейването на резултатите от намаляването на размерността при анализа на принципните компоненти. Цветът представлява общата енергия. Връзката между магнитната област и общата енергия е свързана в обяснимо информационно пространство. Кредит: Masato Kotsugi / Tokyo University of Science
При разработването на модела екипът използва най-съвременната техника в областта на топологията и науката за данните, за да разшири модела на свободната енергия на Ландау. Това доведе до създаването на модел, който позволява причинно-следствен анализ на обръщането на намагнитването в наномагнитите. След това екипът извърши автоматична идентификация на физическия произход и визуализация на оригиналните изображения на магнитната област.
Резултатите им показват, че енергията на размагнитване в близост до дефект поражда магнитен ефект, който е отговорен за "феномена на притискане". Освен това екипът успя да визуализира пространствената концентрация на енергийните бариери - постижение, което не беше постигнато досега. И накрая, екипът предложи топологично обратен дизайн на записващи устройства и наноструктури с ниска консумация на енергия.
Очаква се моделът, предложен в това изследване, да допринесе за широк спектър от приложения в разработването на спинтронни устройства, квантови информационни технологии и Web 3.
"Предложеният от нас модел открива нови възможности за оптимизиране на магнитните свойства за целите на инженерните материали. Разширеният метод най-накрая ще ни позволи да изясним "защо" и "къде" се изразява функцията на даден материал. Анализът на функциите на материалите, който досега се основаваше на визуална проверка, сега може да бъде количествено определен, за да стане възможно прецизното функционално проектиране", заключава оптимистично професор Коцуги.
Справка: “Causal Analysis and Visualization of Magnetization Reversal using Feature Extended Landau Free Energy” by Sotaro Kunii, Ken Masuzawa, Alexandre Lira Fogiatto, Chiharu Mitsumata and Masato Kotsugi, 29 November 2022, Scientific Reports.
DOI: 10.1038/s41598-022-21971-1
Източник: Explainable AI-Based Physical Theory for Advanced Materials Design, Tokyo University of Science
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари
dolivo
Учените, работещи за връщането на вълнестия мамут, създават вълнести мишки
dolivo
Обществото умее да разпознава фалшиви новини, но е скептично към верните новини, показва метаанализ
dolivo
Прогноза за развитие на технологиите до 2099 от Рей Курцвейл
dolivo
Може ли удар от малка черна дупка да убие човек?