Teoría física explicable basada en IA para el diseño de materiales avanzados
El análisis microscópico de los materiales es esencial para lograr el rendimiento deseable en los dispositivos nanoelectrónicos de próxima generación, como el bajo consumo de energía y las altas velocidades. Sin embargo, los materiales magnéticos involucrados en tales dispositivos a menudo exhiben interacciones increíblemente complejas entre nanoestructuras y dominios magnéticos. Esto, a su vez, dificulta el diseño funcional.
Tradicionalmente, los investigadores han realizado análisis visuales de datos de imágenes microscópicas. Sin embargo, esto a menudo hace que la interpretación de estos datos sea cualitativa y altamente subjetiva. Lo que falta es un análisis causal de los mecanismos subyacentes a las interacciones complejas en los materiales magnéticos a nanoescala.
En un avance reciente publicado en informes científicos, un equipo de investigadores dirigido por el profesor Masato Kotsugi de la Universidad de Ciencias de Tokio, Japón, logró automatizar la interpretación de datos de imágenes microscópicas. Esto se logró utilizando un «modelo de energía libre de Landau extendido» que el equipo desarrolló usando una combinación de topología, ciencia de datos y energía libre. El modelo podría ilustrar el mecanismo físico así como la ubicación crítica del efecto magnético y sugerir una estructura óptima para un nanodispositivo. El modelo utilizó características basadas en la física para dibujar paisajes energéticos en el espacio de información, que podrían aplicarse para comprender interacciones complejas a nanoescala en una amplia variedad de materiales.
«El análisis convencional se basa en la inspección visual de imágenes bajo un microscopio, y las relaciones con la función del material se expresan solo cualitativamente, lo cual es un cuello de botella importante para el diseño de materiales. Nuestro modelo extendido de la energía libre de Landau nos permite identificar el origen físico y la localización de fenómenos complejos dentro de estos materiales. Este enfoque supera el problema de la explicabilidad que enfrenta el aprendizaje profundo, que en cierto modo equivale a reinventar nuevas leyes de la física «, dice el profesor Kotsugi. Este trabajo fue apoyado por KAKENHI, JSPS y el Programa MEXT para Subvención para la creación de tecnología de base innovadora para electrónica de potencia.
Mientras diseñaba el modelo, el equipo utilizó la técnica avanzada en los campos de topología y ciencia de datos para extender el modelo de energía libre de Landau. Esto condujo a un modelo que permitió el análisis causal de la inversión de la magnetización en nanoimanes. Luego, el equipo llevó a cabo una identificación automatizada del origen físico y la visualización de las imágenes originales del dominio magnético.
Sus resultados indicaron que la energía de desmagnetización cerca de un defecto da lugar a un efecto magnético, que es responsable del «fenómeno de fijación». Además, el equipo pudo visualizar la concentración espacial de las barreras de energía, una hazaña que no se había logrado hasta ahora. Por último, el equipo propuso un diseño topológicamente inverso de los dispositivos de grabación y las nanoestructuras de baja potencia.
Se espera que el modelo propuesto en este estudio contribuya a una amplia gama de aplicaciones en el desarrollo de dispositivos espintrónicos, tecnologías de información cuántica y Web 3.
“Nuestro modelo propuesto abre nuevas posibilidades para optimizar las propiedades magnéticas para la ingeniería de materiales. El método extendido finalmente nos permitirá especificar “por qué” y “dónde” se expresa la función de un material. El análisis de la función del material, que anteriormente se basaba en la inspección visual, ahora se puede cuantificar para permitir un diseño funcional preciso”, concluye el profesor Kotsugi con optimismo.
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Referencia
YO: https://doi.org/10.1038/s41598-022-21971-1
Acerca de la Universidad de Ciencias de Tokio
La Universidad de Ciencias de Tokio (TUS) es una universidad muy conocida y respetada, y la mayor universidad privada de investigación especializada en ciencias de Japón, con cuatro campus en el centro de Tokio y sus suburbios y en Hokkaido. Fundada en 1881, la universidad ha contribuido continuamente al desarrollo científico de Japón al inculcar el amor por la ciencia en investigadores, técnicos y educadores.
Con la misión de «crear ciencia y tecnología para el desarrollo armonioso de la naturaleza, los seres humanos y la sociedad», TUS ha emprendido una amplia gama de investigaciones, desde la ciencia básica hasta la aplicada. TUS ha adoptado un enfoque multidisciplinario para la investigación y ha realizado estudios intensivos en algunas de las áreas más vitales de la actualidad. TUS es una meritocracia donde se reconoce y fomenta lo mejor de la ciencia. Es la única universidad privada en Japón que ha producido un premio Nobel y la única universidad privada en Asia que produce premios Nobel en el campo de las ciencias naturales.
Sitio de Internet: https://www.tus.ac.jp/en/mediarelations/
Acerca del profesor Masato Kotsugi de la Universidad de Ciencias de Tokio
