Los científicos desarrollan el “modelo extendido de energía libre de Landau” para diseñar materiales avanzados

En un avance reciente, un equipo de investigación logró automatizar la interpretación de datos de imágenes microscópicas de materiales magnéticos a nanoescala utilizando un “modelo de energía libre de Landau extendido” que el equipo desarrolló utilizando una combinación de topología, ciencia de datos y energía libre.

Teoría física explicable basada en IA para el diseño de materiales avanzados

Los científicos están desarrollando un “modelo extendido de energía libre de Landau” para el análisis causal y la visualización en dispositivos nanomagnéticos con IA y topología.

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 interacciones complejas en materiales magnéticos a nanoescala.

Una imagen que ilustra el modelo extendido de energía libre de Landau desarrollado por un equipo de investigación de la Universidad de Ciencias de Tokio, que permite el análisis causal de la inversión de la magnetización en nanoimanes. Utilizando este modelo, el equipo pudo visualizar de manera efectiva las imágenes del dominio magnético y logró el diseño inverso de nanoestructuras de baja potencia. Crédito: Laboratorio Kotsugi, Universidad de Ciencias de Tokio, Japón

En un avance reciente, un equipo de investigación 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. Los detalles del estudio se publicarán hoy (29 de noviembre) en la revista Informes científicos. La investigación fue dirigida por el profesor Masato Kotsugi de la Universidad de Ciencias de Tokio en Japón.

“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.

Diagrama de dispersión de los resultados de la reducción de la dimensionalidad del análisis de componentes principales. El color representa la energía total. La relación entre el dominio magnético y la energía total está conectada en el espacio de características explicables. Crédito: Masato Kotsugi de la Universidad de Ciencias de Tokio, Japón

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.

Diagrama de dispersión de los resultados de la reducción de la dimensionalidad del análisis de componentes principales. El color representa la energía total. La relación entre el dominio magnético y la energía total está conectada en el espacio de características explicables. Crédito: Masato Kotsugi de la Universidad de Ciencias de Tokio, Japón

“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.

Referencia: “Análisis causal y visualización de la inversión de la magnetización mediante la funcionalidad extendida Landau de energía libre” 29 de noviembre de 2022, 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 Grant Number JPJ009777, and KAKENHI, JSPS [19K22117, 22K14590].