Исследователи из Института Пауля Шерера (PSI) продемонстрировали инновационный метод управления магнетизмом в материалах с помощью энергоэффективного электрического поля. Открытие касается материалов, известных как магнитоэлектрики, которые обещают стать основой для технологий будущего поколения в области энергетики, хранения данных, преобразования энергии и медицинских устройств. Результаты опубликованы в журнале Nature Communications.
Энергоэффективные технологии будущего
С развитием искусственного интеллекта (ИИ) и центров обработки данных растёт потребность в более умных и экологичных технологиях. Здесь на помощь приходят магнитоэлектрические материалы — специальные соединения, в которых электрические и магнитные свойства связаны. Эта связь позволяет учёным управлять магнетизмом с помощью электрических полей, что может проложить путь к созданию сверхэнергоэффективных устройств памяти и вычислений.
Эксперименты с медью и селеном
Одним из таких магнитоэлектрических материалов является оливково-зелёный кристалл — медный оксиселенид (Cu₂OSeO₃). При низких температурах атомные спины выстраиваются в экзотические магнитные текстуры, образуя структуры, такие как спирали и конусы. Эти структуры намного больше, чем лежащая в их основе атомная решётка, и не привязаны к её геометрии, что делает их легко настраиваемыми.
Учёные из PSI продемонстрировали, что электрическое поле может управлять этими магнитными текстурами внутри медного оксиселенида. В обычных материалах магнитные структуры, образованные за счёт скручивания и выравнивания атомных спинов, зафиксированы в определённых ориентациях. В медном оксиселениде с правильным напряжением исследователи смогли подтолкнуть и переориентировать их.
Магнитоэлектрическое отклонение
Это первый случай, когда направление распространения магнитной текстуры можно непрерывно переориентировать в материале с помощью электрического поля — эффект, известный как магнитоэлектрическое отклонение.
Для исследования магнитных структур команда использовала линию пучка SANS-I на Швейцарском источнике нейтронов для спаллации SINQ — установке, которая использует пучки нейтронов для картирования расположения и ориентации магнитных структур внутри твёрдого тела на наноуровне. Специально разработанная среда для образцов позволила исследователям применять высокое электрическое поле, одновременно зондируя намагниченность внутри кристалла с помощью малоуглового рассеяния нейтронов (SANS).
«Способность управлять такими большими магнитными текстурами с помощью электрических полей показывает, что возможно, когда творческие эксперименты сочетаются с исследовательской инфраструктурой мирового класса», — говорит Джонатан Уайт, учёный на линии пучка в PSI. «Причина, по которой мы можем зафиксировать такой тонкий эффект, как магнитоэлектрическое отклонение, заключается в исключительном разрешении и универсальности SANS-I».
Движение в запутанном скоплении червей: как активные полимерные цепи могут самоорганизовываться в твёрдые кластеры
Часто земляные черви образуют скопление, из которого им трудно выбраться. Аналогично активная, извивающаяся структура образуется, когда щупальца медузы львиная грива запутываются. Роботизированные захваты используют этот принцип, используя несколько синтетических гибких манипуляторов для захвата и перемещения объектов. И такие взаимосвязанные самодвижущиеся нити можно найти и на микроуровне, например, в биологической клетке.
Цепи или щупальца также известны как полимерные цепи. Там, где они подвержены только тепловому шуму, структура и динамика таких клубков описываются традиционной полимерной физикой. Теоретическое описание основано на модели трубки: полимерная цепь движется случайным образом вперёд и назад в пределах свёрнутой трубки, образованной её соседями.
Профессор доктор Хартмут Лёвен из Института теоретической физики II в HHU говорит: «Используя эту модель, физики могут предсказать, как быстро цепь может высвободиться из скопления. Необходимое время определяется с помощью так называемого закона масштабирования с универсальным показателем и тесно коррелирует с длиной цепи, то есть сколько времени потребуется, пока цепь освободится, если она будет в два раза длиннее».
Однако не было известно, как модель меняется, когда полимеры активны. Например, когда они состоят из хаотично извивающихся цепей живых червей. Этот центральный вопрос из области исследования «активной мягкой материи» долгое время оставался без ответа.
Революция в физике полимеров
Исследователи из HHU, Технического университета Дармштадта и Дрезденского технического университета в сотрудничестве с Институтом физики сложных систем Макса Планка в Дрездене раскрыли эту динамику с помощью крупномасштабного компьютерного моделирования. В статье, опубликованной в Nature Communications, они смогли показать, что законы масштабирования принципиально меняются: соответствующий показатель значительно меняется по сравнению с пассивным случаем случайно инициированных извне цепей.
В процессе исследователи не только определили новый показатель, но и создали новую модель трубки, в которой новые явления можно классифицировать и чётко понять. С помощью модели они установили, что жёсткость этой живой полимерной массы значительно увеличивается из-за внутренних сил сцепления, которые заставляют живую систему запутываться и блокировать себя.
Анализ позиций игроков НБА с помощью теории флуктуаций на основе плотности
Исследовательская группа из Корнелла использовала вариацию теории, впервые использованной для предсказания коллективных действий электронов в квантово-механических системах, применительно к гораздо более высокой системе — Национальной баскетбольной ассоциации (НБА).
Группа под руководством Томаса Ариаса, профессора физики и научного сотрудника Стивена Х. Вайс Президентского фонда в Колледже искусств и наук, адаптировала теорию флуктуаций на основе плотности (DFFT) для прогнозирования позиций игроков и ранжирования игроков на основе их вклада в защиту. Они также попытались количественно оценить «гравитацию игрока» — насколько сильно игрок притягивает защитников, что указывает на его угрозу забить.
«Гравитация — это часто используемый термин в баскетболе, но её количественная оценка была немного сложной», — сказал Борис Баррон, магистр наук ’21, доктор философии ’24, ныне постдокторский исследователь в Институте демографических исследований Макса Планка в Ростоке, Германия.
Баррон является автором статьи «Анализ позиций игроков НБА и взаимодействий с помощью теории флуктуаций на основе плотности», которая была опубликована в Scientific Reports. Соавторами являются Ариас и Натан Ситараман, магистр наук ’18, доктор философии ’22, постдокторский исследователь в Корнельской лаборатории наук об ускорителях и образования.
Относительно новая формулировка, DFFT, стремится вывести взаимодействия и пространственные предпочтения непосредственно из флуктуаций в данных о положении. Теория уже применялась к таким разнообразным системам, как организация групп насекомых, расовая сегрегация в городских районах и моделирование динамики толпы.
Это исследование является продолжением работы, которую группа представила в 2023 году на конференции Американского физического общества. В более раннем исследовании модель группы, основанная на теории функционала плотности (DFT), предложила наилучшее позиционирование для каждого игрока на баскетбольной площадке в данной ситуации, если они хотят повысить вероятность либо забить, либо успешно защищаться.
Ариас сказал, что сначала он подумал о DFT с точки зрения поведения толпы — например, на концерте, — затем вывел несколько уравнений и понял, что «это были именно те уравнения, которые мы используем в наших теориях физики многих тел и квантовой механики».
Ситараман, который в то время занимался консультационной работой в команде НБА и имел доступ к аналитике игроков, помог направить группу к баскетболу в качестве испытательной площадки для их моделирования DFFT. Ни Ариас, ни Баррон особо не интересовались НБА в то время.
«Натан и я шутили, что они привлекли меня», — сказал Баррон, — «чтобы, когда я проводил анализ, я на самом деле не знал, какие игроки должны быть хороши в нападении, защите или трёхочковых бросках — я был в значительной степени в неведении».
Исследователи продемонстрировали, что можно улучшить позиционирование защитников и выявить индивидуальные тенденции игроков, такие как последовательность, с которой игрок позиционирует себя, чтобы помочь своей команде коллективно защищаться от двухочковых или трёхочковых бросков.
Чтобы измерить гравитацию игрока, команда проанализировала 50 игроков, которые чаще всего выходили на площадку в течение четырёх месяцев в наборе данных, а также один особый случай — защитника «Голден Стэйт Уорриорз» Стивена Карри, который является рекордсменом НБА по количеству выполненных трёхочковых бросков и широко известен как игрок с самой высокой гравитацией в лиге.
В будущем исследования в этой области будут посвящены концепции «оборонительного IQ» — инстинктам игрока и способности «видеть» игру до её развития.