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.
Энергоэффективное управление с помощью магнитоэлектрического отклонения
С ростом спроса на искусственный интеллект (ИИ) и дата-центры учёные ищут более умные и экологичные технологии. Здесь на помощь приходят магнитоэлектрические материалы — специальные соединения, в которых электрические и магнитные свойства связаны. Эта связь позволяет исследователям управлять магнетизмом с помощью электрических полей, что может проложить путь к созданию сверхэнергоэффективных устройств памяти и вычислений.
Управление магнитными текстурами в купрат-оксиселениде
Одним из таких магнитоэлектрических материалов является оливково-зелёный кристалл — купрат-оксиселенид (Cu₂OSeO₃). При низких температурах атомные спины выстраиваются в экзотические магнитные текстуры, образуя структуры, такие как спирали и конусы. Эти паттерны гораздо 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 купрат-оксиселенида. В типичных материалах магнитные структуры, образованные из скручивания и выравнивания атомных спинов, зафиксированы в определённых ориентациях. В купрат-оксиселениде при правильном напряжении исследователи могли сдвигать и переориентировать их.
Магнитоэлектрическое отклонение
Это первый случай, когда направление распространения магнитной текстуры можно было 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. Установка позволяет использовать 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 нейтронного рассеяния (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 пучков в PSI. «Причина, по которой мы можем зафиксировать такой тонкий эффект, как магнитоэлектрическое отклонение, заключается в исключительном разрешении и универсальности SANS-I».
Открытие новых возможностей
Недавно обнаруженная реакция магнитоэлектрического отклонения побудила к более глубокому изучению её физических основ. Было обнаружено, что магнитные структуры ведут себя по-разному в зависимости от силы электрического поля. Низкие электрические поля мягко отклоняют магнитные структуры с линейным откликом. Средние поля вносят более сложное, нелинейное поведение. Высокие поля вызывают резкие перевороты на 90 градусов в направлении распространения магнитной текстуры.
«Каждый из этих режимов имеет уникальные характеристики, которые могут быть интегрированы в сенсорные и запоминающие устройства», — говорит Сэм Муди, постдокторант в PSI и ведущий автор исследования. «Особенно перспективной представляется возможность создания гибридных устройств, использующих способность настраивать начало этих режимов, изменяя силу приложенного магнитного поля».
Исследование динамики активных полимерных цепей
Активные полимерные цепи и их динамика
Земляные черви часто образуют скопления, из которых им трудно выбраться. Аналогично активные, извивающиеся структуры формируются, когда щупальца медузы львиная грива запутываются. Роботизированные захваты используют этот принцип, применяя несколько синтетических гибких манипуляторов для захвата и перемещения объектов. Подобные взаимосвязанные самодвижущиеся нити можно найти и на микроскопическом уровне, например, в биологической клетке.
Цепи или щупальца также известны как полимерные цепи. Их структура и динамика описываются с помощью модели трубки: полимерная цепь движется случайным образом взад и вперёд внутри 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. Время, необходимое для этого, определяется с помощью так называемого масштабного закона с универсальным показателем и тесно коррелирует с длиной цепи, то есть сколько времени потребуется, чтобы цепь высвободилась, если она будет в два раза длиннее».
Однако не было известно, как модель меняется, когда полимеры становятся активными. 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 с помощью крупномасштабного компьютерного моделирования раскрыли динамику этих процессов.
«Подготавливать эти кластеры для различных размеров полимеров в нашей компьютерной модели было кропотливой работой, — говорит ведущий автор доктор Давиде Бреони. — Однако затем мы смогли численно извлечь основные масштабные законы для различных длин полимеров».
Доктор Сувенду Мандел, работавший в качестве постдокторанта в HHU, а ныне работающий в Дармштадте, продолжает: «Новые законы революционизируют физику полимеров. Они показывают, что живым системам очень легко коллективно запутаться, увеличивая их жёсткость в целом. Интуитивно можно было бы ожидать обратного — что их активное движение позволит им быстрее распутаться».
Профессор Лёвен указывает на практическую выгоду этих открытий: «Они могут способствовать разработке новых «умных материалов», которые становятся более жёсткими по нажатию кнопки, то есть которые могут кардинально изменять свои вязкоупругие свойства».
Применение теории плотности функциональных флуктуаций в баскетболе
Команда исследователей из Корнелла адаптировала теорию плотности функциональных флуктуаций (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 сложной задачей», — сказал Борис Бэррон, магистр наук (MSc) ’21, доктор философии (PhD) ’24, ныне постдокторант в Институте демографических исследований Макса Планка в Ростоке, Германия.
Бэррон является автором соответствующей статьи «Анализ позиций игроков НБА и взаимодействий с теорией плотности функциональных флуктуаций», которая была опубликована в Scientific Reports. Соавторами являются Томас Ариас и Натан Ситараман, магистр наук (MSc) ’18, доктор философии (PhD) ’22, постдокторант в Корнельской лаборатории наук об ускорителях и образования.
Относительно новая формулировка, DFFT, стремится вывести взаимодействия и пространственные предпочтения непосредственно из флуктуаций позиционных данных. 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 оптимальное позиционирование для каждого игрока на баскетбольной площадке в данной ситуации, если они хотят повысить вероятность успешной игры в нападении или защите.
Ариас сказал, что сначала он подумал о DFT с точки зрения поведения толпы — например, на концерте, — а 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 работал консультантом в команде НБА и имел доступ к аналитике игроков, помог группе сосредоточиться на баскетболе как на испытательном стенде для их моделирования DFFT. Ни Ариас, ни Бэррон в то время особо не интересовались НБА.
«Натан и я шутили, что они привлекли меня, — сказал Бэррон, — чтобы, когда я провожу анализ, я на самом деле не знал, какие игроки должны быть хороши в нападении, защите или трёхочковых бросках — я был в основном в неведении».
Исследователи продемонстрировали, что можно улучшить позиционирование игроков защиты и выявить специфические для игроков тенденции, 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, представленных в наборе данных, а также один особый случай — защитника «Голден Стэйт Уорриорз» Стивена Карри, который является рекордсменом НБА по количеству сделанных 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.