Новое понимание невидимых сил: скрытые магнитные подсказки в обычных металлах
Сотрудничество человека и ИИ помогает раскрыть тайны квантовых спиновых жидкостей
На переднем крае научных открытий, где решаются сложные научные вопросы, данных часто бывает недостаточно. Успешное машинное обучение (ML), напротив, обычно опирается на большие объёмы высококачественных данных для обучения. Как исследователи могут эффективно использовать ИИ для поддержки своих исследований?
В журнале Physical Review Research учёные описывают подход к работе с ML для решения сложных вопросов в физике конденсированных сред. Их метод позволяет решать сложные задачи, которые ранее были неразрешимы с помощью моделирования физиками или алгоритмов машинного обучения.
Исследователи изучали фрустрированные магниты — магнитные материалы, в которых конкурирующие взаимодействия приводят к экзотическим магнитным свойствам. Изучение этих материалов помогло продвинуть наше понимание квантовых вычислений и пролить свет на квантовую гравитацию. Однако фрустрированные магниты очень трудно моделировать из-за ограничений, связанных со взаимодействием магнитных ионов.
Команда из Японии, Франции и Германии изучала, как свойства определённого типа магнитного материала изменяются при охлаждении до абсолютного нуля. Их внимание было сосредоточено на особой фазе, называемой «спиновой жидкостью»: подобно тому как жидкая вода замерзает в лёд, спиновая жидкость переходит в другой вид магнитного состояния. Однако при попытке идентифицировать это состояние они не смогли понять результаты своего моделирования.
Профессор Ник Шеннон, руководитель отдела теории квантовой материи в Окинавском институте науки и технологий (OIST) и соавтор исследования, объяснил: «Недавно физики были взволнованы открытием типа квантовой спиновой жидкости, которая может помочь нам понять отказоустойчивые квантовые компьютеры. В 2020 году мы поняли, что эта спиновая жидкость может естественным образом возникать в классе магнитных материалов, называемых «дышащими пирохлорами». Но мы не могли понять, что происходит со спиновой жидкостью при низких температурах».
Исследователи из OIST объединились с экспертами по машинному обучению из Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана (LMU), которые разработали алгоритм машинного обучения, способный классифицировать обычные магнитные порядки.
Профессор Лоде Полле из LMU Мюнхен, соавтор исследования, сказал: «Наш метод легко интерпретируем, что означает, что людям легко расшифровать процессы принятия решений, и не требует предварительного обучения модели. Это делает его более подходящим для таких приложений, где данных мало, по сравнению с другими формами машинного обучения».
Для моделирования охлаждения спиновой жидкости команда использовала вычислительную технику, называемую моделированием Монте-Карло. Пропустив данные своего моделирования через алгоритм машинного обучения и обработав результаты, исследователи смогли увидеть закономерности, возникающие в выходных данных ML.
Они использовали эти результаты для запуска моделирования Монте-Карло в обратном направлении, задавая начальные условия при низкой температуре с помощью закономерностей, найденных с помощью ML, и нагревая ранее неизвестную фазу для моделирования перехода в противоположном направлении. Эти новые симуляции подтвердили свойства этой фазы, что принесло новое понимание в эту область квантовых исследований.
«Интересно, что ни человек, ни машина в одиночку не смогли решить эту задачу — это было больше похоже на сотрудничество коллег с алгоритмом, замечающим то, чего мы не заметили, и наоборот, — добавил доктор Людовик Жаубер из CNRS, Университет Бордо. — Это захватывающе, потому что в физике конденсированных сред есть ещё много сложных проблем, которые мы, возможно, сможем решить с помощью такого комбинированного подхода человека и ИИ».
Открытие нового способа обнаружения тонких магнитных сигналов в обычных металлах
Команда учёных разработала новый мощный способ обнаружения тонких магнитных сигналов в обычных металлах, таких как медь, золото и алюминий — используя только свет и хитрую технику. Их исследование, недавно опубликованное в Nature Communications, может проложить путь к достижениям во всём: от смартфонов до квантовых вычислений.
Более века учёные знали, что электрические токи изгибаются в магнитном поле — явление, известное как эффект Холла. В магнитных материалах, таких как железо, этот эффект силён и хорошо изучен. Но в обычных немагнитных металлах, таких как медь или золото, эффект гораздо слабее.
В теории связанное с этим явление — оптический эффект Холла — должно помочь учёным визуализировать поведение электронов при взаимодействии света и магнитных полей. Но на видимых длинах волн этот эффект оставался слишком слабым для обнаружения. Научный мир знал, что он существует, но у него не было инструментов для его измерения.
«Это было похоже на попытку услышать шёпот в шумной комнате в течение десятилетий, — сказал профессор Амир Капуа. — Все знали, что шёпот есть, но у нас не было микрофона, достаточно чувствительного, чтобы его услышать».
Под руководством кандидата наук Надава Ам Шалома и профессора Амира Капуа из Института электротехники и прикладной физики в Еврейском университете в сотрудничестве с профессором Бинхай Яном из Института науки Вейцмана, Пенсильванским государственным университетом и профессором Игорем Рожанским из Манчестерского университета исследование сосредоточено на сложной задаче в физике: как обнаружить крошечные магнитные эффекты в немагнитных материалах.
«Вы можете думать о таких металлах, как медь и золото, как о «магнитно тихих» — они не прилипают к вашему холодильнику, как железо, — объяснил профессор Капуа. — Но на самом деле при правильных условиях они действительно реагируют на магнитные поля — просто очень тонкими способами».
Чтобы решить эту задачу, исследователи усовершенствовали метод, называемый магнитооптическим эффектом Керра (MOKE), который использует лазер для измерения того, как магнетизм изменяет отражение света. Представьте себе использование мощного фонарика, чтобы уловить малейший блеск на поверхности в темноте.
Объединив 440-нанометровый синий лазер с модуляцией внешнего магнитного поля большой амплитуды, они значительно повысили чувствительность метода. В результате они смогли уловить магнитные «эхо» в немагнитных металлах, таких как медь, золото, алюминий, тантал и платина — задача, ранее считавшаяся почти невыполнимой.
Эффект Холла является ключевым инструментом в полупроводниковой промышленности и при изучении материалов на атомном уровне: он помогает учёным определить количество электронов в металле. Но традиционно измерение эффекта Холла означает физическое подключение крошечных проводов к устройству, что является трудоёмким и сложным процессом, особенно при работе с компонентами размером в нанометры. Новый подход намного проще: для него достаточно просто направить на электрическое устройство лазер; провода не нужны.
Копая глубже, команда обнаружила, что то, что казалось случайным «шумом» в их сигнале, на самом деле не было случайным. Вместо этого оно следовало чёткому шаблону, связанному с квантовым свойством, называемым спин-орбитальной связью, которая связывает движение электронов со спином — ключевым поведением в современной физике.
Эта связь также влияет на то, как магнитная энергия рассеивается в материалах. Эти идеи имеют прямое значение для проектирования магнитной памяти, спинтронных устройств и даже квантовых систем.
«Это как обнаружить, что статическое электричество на радио — это не просто помехи, а кто-то шепчет ценную информацию, — сказал кандидат наук Ам Шалом. — Мы теперь используем свет, чтобы «слушать» эти скрытые сообщения от электронов».
Техника предлагает неинвазивный, высокочувствительный инструмент для изучения магнетизма в металлах — без необходимости использования массивных магнитов или криогенных условий. Его простота и точность могут помочь инженерам создавать более быстрые процессоры, более энергоэффективные системы и датчики с беспрецедентной точностью.
«Это исследование превращает почти 150-летнюю научную проблему в новую возможность, — сказал профессор Капуа. — Интересно, что даже Эдвин Холл, один из величайших учёных всех времён, который открыл эффект Холла, пытался измерить свой эффект с помощью луча света, но безуспешно».