طريقة جديدة للتحكم في الضوء من أجل أجهزة كمبيوتر مستقبلية أسرع

نجح العلماء في ابتكار نوع جديد من المواد الخارقة القادرة على توفير وظيفة حجب الضوء الشاملة للحوسبة الفوتونية.

A المادة الميتا هي مادة هندسية لا تنشأ خصائصها من التركيب الكيميائي لمكوناتها الأساسية، بل من بنيتها الداخلية المصممة بعناية. وبالتالي، يمكن لهذه المواد أن تُظهر خصائص غير عادية خصائص ذلك لم يتم العثور عليها في المواد الطبيعية.

تتكون هذه المواد عادةً من مواد متعددة، مثل المعادن والبلاستيك، ومرتبة في هياكل متكررة ذات طول موجي فرعي. يمنحها الشكل والحجم والهندسة والاتجاه والترتيب خصائصها، مما يُمكّنها من معالجة الموجات الكهرومغناطيسية والصوتية والزلزالية عن طريق امتصاص الموجات أو ثنيها أو تعزيزها أو حجبها، لتحقيق فوائد لا تُتاح بالمواد التقليدية.

استخدم مادة ميتامواد جديدة تم تصميمها¹ يجمع العلماء في جامعة نيويورك بين الميزات التي هي ترتبط عادة بالسوائل والبلورات لكن تفوق على حد سواء منهم في قدرتها على حجب الضوء الوارد من جميع الزوايا.

تُسمى هذه الفئة الجديدة من المواد غير المنتظمة المترابطة وظيفيًا، الجيرومورف، بدمج العشوائية الشبيهة بالسوائل مع أنماط هيكلية واسعة النطاق لحجب الضوء من جميع الاتجاهات. وذكرت الدراسة:

"نقوم بتوليد أشكال جيروسكوبية ثنائية وثلاثية الأبعاد من خلال طرق تحسين الطيف، والتحقق من أنها تعرض ترتيبًا دورانيًا منفصلًا قويًا ولكن ليس ترتيبًا انتقاليًا طويل المدى، مع الحفاظ على خواص الدوران المتساوية في المدى القصير لحجم كبير بما فيه الكفاية "𝐺." 

مع هذا الابتكار، تمكن الباحثون من تم حلها القيود في التصميمات القائمة على شبه البلورات والتي كانت طويلة الأمد لقد كان يزعجني العلماء. ويمكن أن يساعد أيضًا في دفع التقدم في الحوسبة الفوتونية.

من شبه البلورات إلى الجيرومورفات في الحوسبة الفوتونية

في الحوسبة الفوتونية، الفوتونات بدلا من التيارات الكهربائية وتستخدم للأداء الحسابات. يمكن لهذا الجيل الجديد من أجهزة الكمبيوتر، بمجرد تحقيقه، أن يكون أكثر كفاءة وسرعة من الأجهزة التقليدية.

مع معالجة البيانات بسرعة الضوءإنها تحمل وعدًا للمهام عالية الأداء مثل الذكاء الاصطناعي، لكن التكنولوجيا تواجه حاليًا تحديات في التصغير والتكلفة. 

وقد أدى التقدم في هذا المجال إلى تطوير شرائح فوتونية وظيفية للتكامل في خوادم الحوسبة عالية الأداء. لكن الحوسبة المعتمدة على الضوء لا تزال في ل في وقت مبكر مرحلةفي الوقت الذي يكافح فيه الباحثون للسيطرة على تيارات الضوء المجهرية التي تنتقل عبر الشريحة. 

إن المواد المصممة بعناية هي ما نحتاجه لإعادة توجيه هذه الإشارات الضوئية الصغيرة بنجاح دون إضعاف قوتها. إن الحفاظ على قوة هذه الإشارات يتطلب a متخصص وخفيف الوزن المادة في أجهزة تمنع الضوء الضال من الدخول من أي اتجاه. 

إن أحد المكونات الأساسية لتحقيق ذلك هو دمج مادة فجوة النطاق المتساوية الخواص. تمنع هذه المادة الضوء أو الموجات الأخرى من الانتشار في جميع الاتجاهات، طالما أن تردداتها ضمن فجوة نطاقها. قد تكون هذه المادة غير منظمة ولكنها فائقة الانتظام، أي أنها تفتقر إلى نظام انتقالي طويل المدى، ولكنها تتمتع بنوع محدد ومُتحكم فيه من العشوائية.

عند هندسة مواد فجوة النطاق المتساوية الخواص، قام الباحثون ركزت لفترة طويلة على شبه البلورات.

هذه الهياكل أن اتبع القواعد الرياضية ولكن لا تكررها مثل البلورات التقليدية تم اكتشافهم لأول مرة بقلم العالم دان شيختمان في أوائل الثمانينيات، حيث حصل على جائزة نوبل في الكيمياء في عام 2011.

الاكتشاف صنع أثناء بحثي عن الألومنيوم والمنغنيز. عندما يكون المعدنان لقد تم صهرهم معًا وبعد تبريدها بسرعة لتكوين سبيكة، أظهرت تناسقًا عشرة أضعاف تحت المجهر الإلكتروني، وهي خاصية لا تحدث في الهياكل البلورية مثل المعادن.

تتمتع شبه البلورات بخصائص البنية البلورية، مثل الماس، مما يعني أنها يتم تنظيمها إلى أنماط، وكذلك هياكل غير متبلورة كالزجاج، مما يعني أن هذه الأنماط لا تتكرر. خصائصها الفريدة تجعل شبه البلورات متينة وهشة في آن واحد.

وفي دراسة أجريت في جامعة ميشيغان في وقت سابق من هذا العام، وجد الباحثون أن شبه البلورات هي مواد مستقرة أساسًا² على الرغم من تشابهها مع المواد الصلبة غير المنظمة.

أشار وينهاو صن، المؤلف المشارك في الدراسة والأستاذ المساعد في علوم وهندسة المواد في جامعة داو، إلى أنه "إذا أردنا تصميم مواد ذات خصائص مرغوبة، فعلينا معرفة كيفية ترتيب الذرات في بُنى محددة". وأضاف: "لقد أجبرتنا أشباه البلورات على إعادة التفكير في كيفية وأسباب تشكل مواد معينة".

ليزود القادم إجابات على م لماذا توجد شبه البلورات أو كيف توجد؟ يتم تشكيلها، وكان الباحثون لفهم أولا م ما الذي يجعلها مستقرة؟ ولتحقيق هذا، كان عليهم أن حدد if البلورات شبه البلورية مستقرة من حيث المحتوى الحراري أو الإنتروبيا، so الباحثون استغرق جسيمات نانوية أصغر من كتلة محاكاة أكبر of شبه بلورة، ثم حسبت إجمالي الطاقة in كل جسيم نانوي.

اكتشف الباحثون أن شبه البلورات التي تم استكشافها جيدًا، وهي عبارة عن سبيكة من السكانديوم والزنك، وسبائك من الإيتربيوم والكادميوم، مستقرة من حيث المحتوى الحراري.

لإجراء الحسابات، استخدم الفريق محاكاة ميكانيكية كمية للبلورات شبه البلورية، حل القادم الحوسبة عنق الزجاجة، لم يكن لديهم سوى القادم تتواصل المعالجات المجاورة بدلاً من بعضها البعض الكمبيوتر المعالج التواصل مع بعضهم البعض، مما جعل خوارزميتهم أسرع بما يصل إلى 100 مرة.

"يمكننا الآن محاكاة الزجاج والمواد غير المتبلورة، والواجهات بين البلورات المختلفة، بالإضافة إلى عيوب البلورات التي يمكن أن تمكن بتات الحوسبة الكمومية."

– فيكرام جافيني، أستاذ الهندسة الميكانيكية بجامعة UM و علم المواد والهندسة

في آخر بحث, القادم المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST) اكتشف العلماء بلورات شبه كروية في سبيكة جديدة من الألومنيوم والزركونيوم³، التي وكان شكلت تحت الظروف القاسية للطباعة المعدنية ثلاثية الأبعاد.

في حين أن إضافة الزركونيوم إلى مسحوق الألومنيوم تمكن من طباعة سبائك الألومنيوم عالية القوة، أراد فريق المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا أن يفهم ما الذي يجعل هذا المعدن قويًا جدًا، يمكن استخدامه في المكونات الحيوية مثل أجزاء الطائرات العسكرية. 

ووجدوا أن شبه البلورات مسؤولة عن ذلك. فكسر النمط المنتظم لبلورات الألومنيوم يُقوي السبائك.. عند النظر من الزاوية الصحيحة، وجد الفريق تماثلًا دورانيًا "نادرًا جدًا" خماسيًا، بالإضافة إلى تماثلات ثنائية وثلاثية، من زاويتين مختلفتين.

هذهوفقًا للفيزيائي والمؤلف المشارك في المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا، فان تشانغ، "سيفتح هذا نهجًا جديدًا لتصميم السبائك. ومع إظهار البحث أن "أشباه البلورات يمكن أن تجعل الألومنيوم أقوى. الآن قد يحاول البعض إنتاجها عمدًا في سبائك مستقبلية،" أضاف.

داخل ثورة الجيرومورف: مواد فجوة النطاق المتساوية الخواص

تتمتع شبه البلورات بالكثير من الوعود. حتى أن لديهم القدرة إلى حجب الضوء تماماولكن من اتجاهات محدودة فقط. وبينما يمكنها إضعاف الضوء من جميع الاتجاهات، إلا أنها لا تستطيع إيقافه تمامًا.

وللتغلب على هذا القيد، يبحث العلماء عن بدائل يمكنها حجب الضوء المسبب لتدهور الإشارة بشكل أكثر فعالية. هذه أدى ذلك إلى تطوير الجيرومورف، الذي يُمكن أن يُساعد في بناء مواد تمنع الضوء الشارد من الدخول من أي اتجاه بفعالية أكبر. ووفقًا للباحث الرئيسي في الدراسة، ستيفانو مارتينياني، وهو أستاذ مساعد في الفيزياء والكيمياء والرياضيات وعلوم الأعصاب:

"لا تشبه الجيرومورفات أي بنية معروفة من حيث أن تركيبها الفريد يؤدي إلى ظهور مواد ذات فجوة نطاقية متساوية الخواص أفضل مما هو ممكن بالطرق الحالية." 

ومع ذلك، فإن العقبة الرئيسية في هندسة هذه المواد، التي تعتمد خصائصها على بنيتها، هي الترتيب المطلوب لتحقيق ذلك. الخصائص الفيزيائية المطلوبة.

نُشرت في مجلة Physical Review Letters، باحثون من جامعة نيويورك يشرحون استراتيجية جديدة⁴ لضبط السلوك البصري.

طوّر الفريق خوارزميةً قادرةً على إنتاج بُنى وظيفية ذات اضطرابٍ مُتأصل. الشكل الجديد من "الاضطراب المُترابط" الذي كشف عنه الفريق يقع بين طرفي نقيض: مُنظّم تمامًا وعشوائي تمامًا.

تخيلوا أشجارًا في غابة - تنمو في مواقع عشوائية، ولكن ليس عشوائيًا تمامًا لأنها عادةً ما تكون على مسافة معينة من بعضها البعض. هذا النمط الجديد، الجيرومورف، يجمع خصائص كنا نعتقد أنها غير متوافقة، ويُظهر دالة تتفوق على جميع البدائل المرتبة، بما في ذلك شبه البلورات.

- مارتينياني

خلال بحثهم، لاحظ الفريق أن جميع مواد فجوة النطاق المتساوية الخواص تُظهر نفس البصمة الهيكلية. لذا، ركزوا على جعلها "واضحة قدر الإمكان"، مما أدى إلى إنتاج الجيرومورف.

صرّح الباحث الرئيسي ماتياس كاسيوليس، باحث ما بعد الدكتوراه في قسم الفيزياء بجامعة نيويورك، بأن هذه الفئة الجديدة من المواد "توفق بين سمات تبدو متضاربة"، لأنها لا تمتلك بنيةً ثابتةً متكررةً شبيهةً بالبلورات، مما يجعلها غير منتظمةٍ كالسائل. في الوقت نفسه، عند النظر إليها من مسافةٍ بعيدة، تُشكّل أنماطًا منتظمة.

"تعمل هذه الخصائص معًا لإنشاء فجوات نطاقية لا تستطيع الموجات الضوئية اختراقها من أي اتجاه."

– كاسيوليس 

كما قدم الفريق أيضًا "أشكالًا متعددة الدوران" ذات تماثلات دورانية متعددة عند مقاييس طول مختلفة لتمكين تكوين فجوات نطاقية متعددة في بنية واحدة، وبالتالي فتح الأبواب أمام تحقيق التحكم الدقيق في الخصائص البصرية.
مرر للتمرير →

الذكاء الاصطناعي والجيل القادم من المواد الكمومية في الاكتشاف

مع استمرار الباحثين في البحث بشكل أعمق في مواد الجيل التالي، بدأت تظهر فئات جديدة تمامًا من المواد.

في الآونة الأخيرة، قام فريق بحثي بقيادة مختبر بيركلي التابع لوزارة الطاقة أبلغ عن الاكتشاف⁵ "البركلوسين"، وهو جزيء عضوي معدني يحتوي على عنصر البركيليوم الكيميائي الثقيل المشع.

تتكون الجزيئات من أيون معدني محاط بإطار قائم على الكربون، وفي حين أنها شائعة نسبيًا في عناصر الأكتينيد المبكرة، إلا أنها غير معروفة تقريبًا في العناصر اللاحقة.

"هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها العثور على دليل على تكوين رابطة كيميائية بين البركيليوم والكربون. تم الحصول عليها"يُقدم هذا الاكتشاف فهمًا جديدًا لكيفية سلوك البركيليوم والأكتينيدات الأخرى مقارنةً بنظيراتها في الجدول الدوري"، كما قال شارك في تأليف ستيفان ميناسيان، عالم في قسم العلوم الكيميائية بمختبر بيركلي، الذي يعمل على تحضير المركبات العضوية المعدنية للأكتينيدات لأنها تسمح لهم بملاحظة التركيبات الإلكترونية المميزة للأكتينيدات.

الأكتينيدات هي سلسلة من 15 عنصرًا معدنيًا مشعًا في الجدول الدوري، تقع في المجموعة f. اليورانيوم والبلوتونيوم مثالان على الأكتينيدات. وهي معروفة بخصائصها الإشعاعية. وتستخدم في المفاعلات النووية وغيرها من التقنيات.

في العام الماضي، أدت الشراكة بين باحثين من جامعة أوبسالا، السويد، وجامعة كولومبيا، الولايات المتحدة، إلى اكتشاف مادة كمية ثنائية الأبعاد تسمى CeSiI⁶، ببنية بلورية من السيريوم والسيليكون واليود. تشبه بنيته البلورية ترتيبًا ثنائي الأبعاد من طبقات متميزة، رقيقة كالذرات. 

تتصرف إلكترونات CeSil كفرميونات ثقيلة، بكتلة فعالة أكبر بمئة مرة من كتلتها في المواد العادية. هذه الكتلة الفعالة متباينة الخواص، وبالتالي تعتمد على اتجاه حركة الإلكترونات في الطبقات الذرية.

مع هذا الاكتشاف، أصبح لدينا الآن منصة مواد مُحسّنة بشكل ملحوظ لدراسة هياكل الإلكترونات المترابطة. تشبه المواد ثنائية الأبعاد مجموعة بناء من قطع الليغو. ويعمل شركاؤنا بالفعل على إضافة طبقات من مواد ثنائية الأبعاد أخرى لإنشاء مادة جديدة بخصائص كمية مُخصصة.

- تشين شين أونج من قسم الفيزياء والفلك في أوبسالا

في علم المواد، هناك احتمالات لا حصر لها، واختيار المادة المناسبة هو عقبة رئيسية أمام صنع جديد الاكتشافات. في حين أن التنبؤات التي تعتمد على النظرية والتحققات القائمة على التجربة تساعد في إعلام الاختيار، إلا أنها ظلت مجزأة.

هذه وهنا يأتي دور علم المعلوماتية للمواد الذي يعتمد على الذكاء الاصطناعي، والذي يدمج الرؤى على نطاق الكم مع مجموعات البيانات الضخمة لفحص المواد الجديدة ونمذجتها وتحسينها بسرعة، وهي المواد التي من المستحيل اكتشافها من خلال التجربة والخطأ التقليديين.

فريق من الباحثين في جامعة توهوكو بنى مبني على الذكاء الاصطناعي خريطة المواد⁷ لتوحيد جميع البيانات التجريبية مع البيانات الحسابية التمثيلية للمبادئ الأولى، بهدف المساعدة يجد الباحثون المادة المناسبة لحالة معينة.

الخريطة عبارة عن رسم بياني كبير يحتوي على محاور للتشابه البنيوي والأداء الحراري الكهربائي (zT)، حيث تمثل كل نقطة بيانات مادة. تظهر مواد مماثلة هنا في اغلق القرب. وبما أن هذه المواد يتم تصنيعها عادة ويتم تقييمها باستخدام أساليب وأجهزة مماثلة، وتسمح الخريطة للمجربين لتحديد نظائر المواد عالية الأداء غير المعروفة بسرعة ولإعادة استخدام بروتوكولات التوليف الحالية كخطوات تالية.

وبهذه الطريقة، يمكن للأداة أن تساعد في خفض تكاليف التطوير وتسريع الابتكار ونشره في العالم الحقيقي. في المستقبل، يخطط الفريق لتوسيع إطار عملهم إلى ما هو أبعد من المواد الحرارية الكهربائية ليشمل المواد الطوبولوجية والمغناطيسية ولدمج أوصاف إضافية لإنشاء تصميم شامل للمواد بمساعدة الذكاء الاصطناعي. منصة الدعم.

"من خلال توفير رؤية بديهية شاملة للعديد من المرشحين، تساعد الخريطة الباحثين على اختيار الأهداف الواعدة في لمحة واحدة؛ وبالتالي، فهي متوقع "لتقصير الجداول الزمنية لتطوير المواد الوظيفية الجديدة بشكل كبير."

- الأستاذ المشارك يوسوكي هاشيموتو

وفي الوقت نفسه، طورت دراسة من جامعة جوتنبرج نموذجًا للذكاء الاصطناعي إلى تحديد القوة والمتانة بكفاءة⁸ من المواد المركبة المنسوجة.

إجراء الاختبارات البدنية والتفصيلية المحاكاة الحاسوبية إن تصميم مواد مركبة جديدة عالية الجودة "أمر صعب بشكل خاص عندما يكون المركب تم إنشاؤه كمواد ألياف نسيجية منسوجة، حيث تلتف الألياف حول بعضها البعض وتتصرف بشكل مختلف اعتمادًا على القوى التي تؤثر عليها المادة. يخضع "كما أشار إحسان غان، طالب الدكتوراه في قسم الفيزياء بجامعة جوتنبرج.

في حين أن أجهزة الكمبيوتر قادرة بالفعل على محاكاة الهياكل الدقيقة الواقعية استنادًا إلى تفاعلات وتأثيرات المواد، فإن المواد المركبة المنسوجة لا تزال تتطلب قدرًا كبيرًا من الموارد الحسابية. تقدم الشبكات العصبية بديلاً، لكنها تتطلب كميات كبيرة من بيانات التدريب وتواجه صعوبة في استقراءهالذلك، قام الفريق بتطوير نموذج ذكاء اصطناعي عام لا يتطلب قدرًا كبيرًا من البيانات.

تم تدريب النموذج على بيانات المحاكاة والاختبار الموجودة للمواد المكونة للمركب، مما يمكّنه من التنبؤ بمتانة المركب الجديد.

وفي حين بحثت دراسة جوتنبرج في أساليب دمج قوانين المواد في نموذج الذكاء الاصطناعي، قام فريق من الباحثين من المعهد الكوري المتقدم للعلوم والتكنولوجيا بدمج القوانين الفيزيائية مع نموذج الذكاء الاصطناعي الخاص به للسماح بالاستكشاف السريع للمواد الجديدة حتى عندما تكون البيانات ضوضائية أو محدودة.

تحديد الملكية هو واحدة من مفتاح سلم في تطوير مواد جديدة، لكن الأمر يتطلب كميات هائلة من البيانات التجريبية والمعدات باهظة الثمن، ما هي الحدود كفاءة البحث. وقد تغلب فريق KAIST على هذه الحاجة من خلال دمج القوانين التي تحكم تشوه وتفاعل المواد والطاقة.

الباحثون تم الإبلاغ عن تقنية الشبكة العصبية المستنيرة بالفيزياء (PINN)⁹ للكشف عن خصائص المواد وسلوك التشوه باستخدام كمية صغيرة فقط من البيانات من تجربة واحدة. ثم قاموا بتقديم نموذج الذكاء الاصطناعي، وهو المشغل العصبي المطلع على الفيزياء (PINO)، والذي يفهم قوانين الفيزياء ويمكن تعميمها على المواد غير المرئية.

قام باحثون من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا بأخذها حتى أبعد من ذلك من خلال تطوير طريقة تتضمن معلومات من مصادر متعددة¹⁰: الأدبيات والتراكيب الكيميائية والصور الدقيقة وغير ذلك. 

إنه جزء من منصة Copilot الجديدة للعلماء التجريبيين في العالم الحقيقي (CRESt). تعتمد طريقتهم على استخدام معدات روبوتية لتمكين اختبار المواد عالية الإنتاجية، ثم تغذية النتائج العودة إلى نماذج متعددة الوسائط كبيرة الحجم لتحسين وصفاتها.

استخدم الباحثون هذا "المساعد، وليس البديل، للباحث البشري"س،" لاستكشاف أكثر من 900 مادة كيميائية وإجراء 3,500 اختبار كهروكيميائي الذي أدى إلى اكتشاف مادة محفزة توفر كثافة طاقة قياسية في خلية الوقود لتوليد الكهرباء.

الاستثمار في تقدم علوم المواد

في عالم علم المواد، شركة ATI (ATI ) تشتهر بموادها المتخصصة المتطورة تقنيًا ومكوناتها المعقدة. تُنتج الشركة مواد عالية الأداء لأسواق الطيران والدفاع والطب والإلكترونيات والطاقة.

تُصنع منتجات ATI من سبائك النيكل والسبائك الفائقة، والتيتانيوم وسبائك التيتانيوم، بالإضافة إلى سبائك متخصصة. وتعمل الشركة من خلال قطاعين:

• المواد والمكونات عالية الأداء (HPMC)
• السبائك والحلول المتقدمة (AA&S)

بقيمة سوقية تبلغ 13.5 مليار دولار أمريكي، يُتداول سهم ATI بسعر 99.37 دولارًا أمريكيًا، بزيادة قدرها 80.5% هذا العام. يبلغ ربح السهم (لآخر 10 سنوات) 3.10، ومضاعف الربحية (لآخر 10 سنوات) 32.09. وتدفع الشركة عائدًا على الأرباح بنسبة 0.32%.