Los científicos desarrollan un «modelo extendido de energía libre de Landau» para el diseño de materiales avanzados

En un logro reciente, un equipo de investigación ha automatizado con éxito la interpretación de datos de imágenes microscópicas de nanomateriales magnéticos utilizando el «modelo de energía libre de Landau extendido» del equipo utilizando una combinación de topología, ciencia de datos y energía libre.

Una teoría física explicable basada en IA del diseño de materiales avanzados

Los científicos desarrollan un «modelo extendido de energía libre de Landau» para el análisis causal y la visualización en nanodispositivos magnéticos utilizando inteligencia artificial y topología.

El análisis microscópico de materiales es fundamental para lograr el rendimiento deseado en la próxima generación de dispositivos nanoelectrónicos, 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 las nanoestructuras y los campos 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 altamente cualitativa y subjetiva. Lo que falta es un análisis causal de los mecanismos que subyacen a las interacciones complejas en los materiales magnéticos a nanoescala.

Imagen que muestra el modelo extendido de energía libre de Landau desarrollado por un equipo de investigación de la Universidad de Ciencias de Tokio, que permite un análisis causal de la inversión de la magnetización en nanoimanes. Con este modelo, el equipo pudo visualizar eficazmente imágenes de campos magnéticos y logró diseñar nanoestructuras reversibles con bajos requisitos de energía. Crédito: Laboratorio Kotsugi de la Universidad de Ciencias de Tokio, Japón

En un logro reciente, un equipo de investigación ha automatizado con éxito la interpretación de datos de imágenes de microscopía. Esto se logró utilizando el «modelo de energía libre Landau extendido» que el equipo desarrolló usando una combinación de topología, ciencia de datos y energía libre. El modelo puede dilucidar el mecanismo físico, así como la ubicación crítica del efecto magnético, y sugerir la estructura óptima para el dispositivo a nanoescala. El modelo usó características basadas en la física para mapear paisajes energéticos en el espacio de información, que se pueden aplicar para comprender interacciones complejas a nanoescala en una variedad de materiales. Los detalles del estudio se publicarán hoy (29 de noviembre) en la revista Informes científicos. La investigación fue dirigida por el profesor Masato Kotsuji de la Universidad de Ciencias de Tokio en Japón.

El análisis tradicional se basa en la inspección visual de imágenes microscópicas, y las relaciones con la función del material solo se expresan cualitativamente, lo que es un cuello de botella importante para el diseño de materiales. Nuestro modelo extendido de energía libre de Landau nos permite determinar el origen material y la ubicación de fenómenos complejos dentro de estos materiales. Este enfoque soluciona el problema de la explicabilidad que enfrenta el aprendizaje profundo, que equivale, en cierto modo, a reinventar nuevas leyes físicas «, explica el profesor Kotsugi. Este trabajo fue apoyado por KAKENHI, JSPS y el Programa MEXT para la creación de tecnología central innovadora. para la Beca de Electrónica de Potencia.

Gráfico de dispersión de los resultados de reducción de dimensiones para el análisis de componentes principales. El color representa la energía total. La relación entre el campo magnético y la energía total es continua en el espacio de características interpretables. Crédito: Masato Kotsugi de la Universidad de Ciencias de Tokio, Japón

Al diseñar el modelo, el equipo utilizó las últimas tecnologías 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 un análisis causal de la inversión de la magnetización en nanoimanes. Luego, el equipo realizó una identificación automatizada del origen físico y la visualización de las imágenes originales del campo magnético.

Sus resultados indicaron que la energía de desmagnetización cerca de un defecto induce un efecto magnético, que es responsable del «fenómeno de fijación». Además, el equipo puede visualizar la concentración espacial de las barreras de energía, una hazaña que no se ha logrado hasta ahora. Finalmente, el equipo propuso un diseño topológico inverso para dispositivos de registro y nanoestructuras con bajo consumo de energía.

Se espera que el modelo propuesto en este estudio contribuya a una amplia gama de aplicaciones en el desarrollo de dispositivos espintrónicos, tecnología de la información cuántica y Web 3.

Gráfico de dispersión de los resultados de reducción de dimensiones para el análisis de componentes principales. El color representa la energía total. La relación entre el campo magnético y la energía total es continua en el espacio de características interpretables. Crédito: Masato Kotsugi de la Universidad de Ciencias de Tokio, Japón

«Nuestro modelo propuesto abre nuevas posibilidades para optimizar las propiedades magnéticas de la ingeniería de materiales. El método extendido finalmente nos permitirá dilucidar ‘por qué’ y ‘dónde’ se expresa la función de un material. Análisis de la función del material, que solía depender en la inspección visual, ahora se puede escalar para hacer posible un diseño funcional preciso «, concluye el optimista profesor Kotsugi.

Referencia: «Análisis causal y visualización de la inversión de la magnetización mediante la función de energía libre extendida de Landau» 29 de noviembre de 2022, disponible aquí. Informes científicos.
DOI: 10.1038/s41598-022-21971-1

Este estudio fue apoyado por KAKENHI, JSPS [21H04656]. Parte de este estudio fue apoyado por el MEXT-Program for Creation of Innovative Core Technology for Power Electronics, concesión número JPJ009777, y KAKENHI, JSPS. [19K22117, 22K14590].