דרך חדשה לשלוט באור עבור מחשבים מהירים יותר בעתיד

מדענים יצרו סוג חדש של מטא-חומר שיכול להציע פונקציונליות מקיפה של חסימת אור עבור מחשוב פוטוני.

A מטא-חומר הוא חומר מהונדס שתכונותיהם אינן נובעות מההרכב הכימי של מרכיבי הבסיס שלהם, אלא מהמבנה הפנימי שתוכנן בקפידה. ככאלה, חומרים אלה יכולים להפגין מאפיינים יוצאי דופן נכסים ש אינם נמצאים בחומרים המופיעים באופן טבעי.

חומרים אלה מורכבים בדרך כלל מחומרים מרובים, כגון מתכות ופלסטיק, ומסודרים במבנים חוזרים, תת-אורכי גל. הצורה, הגודל, הגיאומטריה, הכיוון והסידור מעניקים להם את תכונותיהם, ומאפשרים להם לתפעל גלים אלקטרומגנטיים, אקוסטיים או סייסמיים על ידי ספיגה, כיפוף, הגברה או חסימה של גלים כדי להשיג יתרונות שאינם אפשריים עם חומרים קונבנציונליים.

השמיים מטא-חומר חדש מהונדס¹ מאת מדענים מאוניברסיטת ניו יורק משלבת תכונות שיש בדרך כלל קשור לנוזלים וגבישים אבל לעלות על שניהם שלהם ביכולתו לחסום אור נכנס מכל הזוויות.

המכונה ג'ירומורפים, המחלקה החדשה של חומרים לא מסודרים בעלי קורלציה פונקציונלית משלבת אקראיות דמוית נוזל עם דפוסי מבנה בקנה מידה גדול כדי לחסום אור מכל כיוון. המחקר קבע:

"אנו מייצרים ג'ירומורפים בדו-ממד ובתלת-ממד באמצעות שיטות אופטימיזציה ספקטרלית, ומאמתים שהם מציגים סדר סיבובי דיסקרטי חזק אך ללא סדר תרגומי ארוך טווח, תוך שמירה על איזוטרופיה סיבובית בטווח קצר למשך זמן גדול מספיק. 𝐺." 

בעזרת חידוש זה, החוקרים הצליחו נפתר מגבלות בעיצובים מבוססי קוואזי-גביש בעלי אורך חיים ארוך מטריד מדענים. זה יכול גם לעזור להניע התקדמות בתחום המחשוב הפוטוני.

מקוואזי-גבישים לגירומורפים במחשוב פוטוני

במחשוב פוטוני, פוטונים במקום זרמים חשמליים משמשים לביצוע חישובים. דור חדש זה של מחשבים, לאחר שייווצר, יכול להיות יעיל ומהיר הרבה יותר ממכונות קונבנציונליות מסורתיות.

עם עיבוד נתונים במהירות האור, היא טומנת בחובה פוטנציאל למשימות בעלות ביצועים גבוהים כמו בינה מלאכותית, אך הטכנולוגיה מתמודדת כיום עם אתגרים של מזעור ועלות. 

התקדמות בתחום הובילה לפיתוח שבבים פוטוניים פונקציונליים לשילוב בשרתי מחשוב בעלי ביצועים גבוהים. אבל מחשוב מונחה אור עדיין שיזוף מוקדם שלב, כאשר חוקרים נאבקים לשלוט בזרמי אור מיקרוסקופיים הנעים דרך שבב. 

חומרים שתוכננו בקפידה הם מה שאנחנו צריכים כדי לנתב בהצלחה את האותות האופטיים הזעירים הללו מבלי להחליש את עוצמתם. שמירה על אותות חזקים דורשת a מיוחד, קל משקל חומר ב- חומרה המונעת חדירת אור תועה מכל כיוון. 

מרכיב מכריע להשגת מטרה זו הוא שילוב חומר פער האנרגיה האיזוטרופי. חומר זה חוסם את התפשטותם של גלים אור או גלים אחרים לכל הכיוונים, כל עוד התדרים נמצאים בפער האנרגיה שלו. חומר כזה יכול להיות לא מסודר אך היפר-אחיד, כלומר הוא חסר סדר תרגום ארוך טווח אך בעל סוג ספציפי ומבוקר של אקראיות.

כאשר חוקרים מהנדסים חומרים איזוטרופיים של פער אנרגיה, ממוקד זמן רב על קוואזי-גבישים.

מבנים אלה זֶה עקבו אחר כללים מתמטיים אך אל תחזרו עליהם כמו גבישים מסורתיים התגלו לראשונה מאת המדען דן שכטמן חזרה בתחילת שנות ה-1980, עליה זכה בפרס נובל בכימיה בשנת 2011.

התגלית נעשה בזמן מחקר על אלומיניום ומנגן. כאשר שתי המתכות נמסו יחד וקוררו במהירות ליצירת סגסוגת, הם הציגו סימטריה פי עשרה תחת מיקרוסקופ אלקטרונים, תכונה שאינה מתרחשת במבנים גבישיים כמו מתכות.

לקוואזי-גבישים יש תכונות של מבנים גבישיים, כמו יהלומים, מה שאומר שהם מאורגנים לדפוסים, כמו גם למבנים אמורפיים כמו זכוכית, מה שאומר שדפוסים אלה אינם חוזרים על עצמם. התכונות הייחודיות שלהם הופכות קוואזי-גבישים לעמידים ושבירים כאחד.

במחקר שנערך באוניברסיטת מישיגן מוקדם יותר השנה, חוקרים גילו שקוואזי-גבישים הם חומרים יציבים ביסודם² למרות דמיון דומה עם מוצקים לא מסודרים.

"אנחנו צריכים לדעת איך לסדר אטומים למבנים ספציפיים אם אנחנו רוצים לתכנן חומרים עם תכונות רצויות", ציין וונהאו סאן, פרופסור עוזר למדעי החומרים והנדסה בתחילת דרכו במכון הדאו ג'ונס, מחבר המחקר. "קוואזי-גבישים אילצו אותנו לחשוב מחדש כיצד ומדוע חומרים מסוימים יכולים להיווצר."

לספק מה היא תשובות ל רק מדוע קוואזי-גבישים קיימים או כיצד הם קיימים נוצרים, לחוקרים היה קודם כל להבין רק מה שהופך אותם ליציבים. לשם כך, הם היו צריכים לקבוע if קוואזי-גבישים הם בעלי יציבות אנתלפיה או אנטרופיה, so החוקרים לקח ננו-חלקיקים קטנים יותר מבלוק מדומה גדול יותר of קוואזיקריסטל, לאחר מכן חישב את אנרגיה כוללת in כל ננו-חלקיק.

החוקרים גילו כי גם הקוואזי-גבישים שנחקרו היטב, סגסוגת של סקנדיום ואבץ, וגם סגסוגת של איטרביום וקדמיום, מיוצבים אנתלפיה.

לצורך החישוב, הצוות השתמש בסימולציות קוונטיות-מכניות של קוואזי-גבישים, וכדי... לפתור מה היא מחשוב צוואר בקבוק, היה להם רק מה היא מעבדים שכנים מתקשרים במקום כל אחד מהם המחשב מעבד לתקשר זה עם זה, מה שהפך את האלגוריתם שלהם למהיר פי 100.

"כעת אנו יכולים לדמות זכוכית וחומרים אמורפיים, ממשקים בין גבישים שונים, כמו גם פגמים בגביש שיכולים לאפשר ביטים של חישוב קוונטי."

– Vikram Gavini, פרופסור UM להנדסת מכונות ו מדעי חומרים והנדסה

באחר מחקר, מה היא המכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה (NIST) מדענים מצאו קוואזי-גבישים בסגסוגת אלומיניום-זירקוניום חדשה³, אשר היה נוצר תחת מצבים קיצוניים של הדפסת מתכת תלת מימדית.

בעוד שהוספת זירקוניום לאבקת אלומיניום מאפשרת הדפסת סגסוגות אלומיניום בעלות חוזק גבוה, צוות NIST רצה להבין מה הופך את המתכת הזו לכל כך חזקה, כך... ניתן להשתמש בו ברכיבים קריטיים כמו חלקי מטוסים צבאיים. 

והם גילו שקוואזי-גבישים אחראים לכך. שבירת התבנית הסדירה של גבישי האלומיניום מחזקת את הסגסוגת.. כאשר נצפו מהזווית הנכונה, הצוות מצא סימטריה סיבובית חמש-כפולה "נדירה מאוד", בנוסף לסימטריות כפולות ומשולשות, משתי זוויות שונות.

זֶה, לדברי הפיזיקאי והמחבר המשותף של NIST, פאן ג'אנג, "יפתח גישה חדשה לתכנון סגסוגות. עם המחקר שמראה ש"קוואזי-גבישים יכולים לחזק את האלומיניום. כעת אנשים עשויים לנסות ליצור אותם במכוון בסגסוגות עתידיות," הוא הוסיף.

בתוך מהפכת הגיירומורף: חומרי פער אנרגיה איזוטרופיים

לקוואזי-גבישים יש הרבה פוטנציאל. הם אפילו יש את היכולת ל חסימה מוחלטת של אוראבל רק מכיוונים מוגבלים. ובעוד שהם יכולים להחליש אור מכל הכיוונים, הם לא יכולים לעצור אותו לחלוטין.

כדי להתגבר על מגבלה זו, מדענים חיפשו חלופות שיכולות לחסום אור שפוגם אותות בצורה יעילה יותר. זֶה הוביל לפיתוח של ג'ירומורפים, שיכולים לסייע בבניית חומרים המונעים כניסת אור תועה מכל כיוון בצורה יעילה יותר. לדברי המחבר הבכיר של המחקר, סטפנו מרטיניאני, שהוא פרופסור עוזר לפיזיקה, כימיה, מתמטיקה ומדעי העצב:

"גירומורפים שונים מכל מבנה ידוע בכך שההרכב הייחודי שלהם מוליד חומרי פער איזוטרופיים טובים יותר ממה שאפשרי בגישות הנוכחיות." 

עם זאת, מכשול עיקרי בהנדסת חומרים אלה, שתכונותיהם תלויות בארכיטקטורה שלהם, הוא הסידור הנדרש להשגת התכונות הפיזיקליות הרצויות.

פורסם ב-Physical Review Letters, ה- חוקרים מאוניברסיטת ניו יורק מפרטים אסטרטגיה חדשה⁴ כדי לכוונן את ההתנהגות האופטית.

הצוות פיתח אלגוריתם שיכול לייצר מבנים פונקציונליים עם אי-סדר מובנה. הצורה החדשה של "אי-סדר מתואם" שחשף הצוות נמצאת בין שני הקצוות: מסודר לחלוטין ואקראי לחלוטין.

"חשבו על עצים ביער – הם גדלים במיקומים אקראיים, אבל לא אקראיים לחלוטין כי הם בדרך כלל במרחק מסוים זה מזה. דפוס חדש זה, ג'ירומורפים, משלב תכונות שחשבנו שאינן תואמות ומציג פונקציה שעולה על כל החלופות המסודרות, כולל קוואזי-גבישים."

- מרטיניאני

במהלך מחקרם, הצוות הבחין שכל חומרי הפער האיזוטרופיים הציגו את אותה חתימה מבנית. לכן, הם התמקדו בהפיכתה ל"בולטת ככל האפשר", מה שהוביל ליצירת ג'ירומורפים.

חומרי המחקר החדשים שנוצרו, כך ציין מתיאס קסיוליס, פוסט-דוקטורנט במחלקה לפיזיקה של אוניברסיטת ניו יורק, המחבר הראשי של המחקר, "משלבים מאפיינים שנראים לא תואמים", משום שאין להם מבנה גבישי, קבוע וחוזר על עצמו, מה שנותן להם אי-סדר דמוי נוזל. יחד עם זאת, כאשר מסתכלים עליהם מרחוק, הם יוצרים דפוסים קבועים.

"תכונות אלו פועלות יחד כדי ליצור פערי אנרגיה שגלי אור אינם יכולים לחדור דרכם מכל כיוון."

– קסיוליס 

הצוות גם הציג "פוליגירומורפים" עם סימטריות סיבוביות מרובות בקני מידה שונים של אורך כדי לאפשר היווצרות של פערים מרובים בפס במבנה יחיד, ובכך פותח את הדלתות להשגת שליטה עדינה בתכונות אופטיות.
החלק כדי לגלול →

בינה מלאכותית וחומרים קוונטיים מהדור הבא בגילוי

ככל שחוקרים ממשיכים לחקור לעומק חומרים מהדור הבא, צצים סוגים חדשים לחלוטין של חומרים.

לאחרונה, צוות מחקר בראשות מעבדת ברקלי של משרד האנרגיה דיווח על התגלית⁵ של "ברקלוצן", מולקולה אורגנו-מתכתית המכילה את היסוד הכימי הסינתטי, הכבד והרדיואקטיבי ברקליום.

המולקולות מורכבות מיון מתכת המוקף במסגרת מבוססת פחמן, ולמרות שהן נפוצות יחסית עבור יסודות אקטינידים מוקדמים, הן כמעט ולא ידועות עבור יסודות מאוחרים יותר.

"זוהי הפעם הראשונה שקיימות ראיות להיווצרות קשר כימי בין ברקליום לפחמן. הושגה"התגלית מספקת הבנה חדשה לגבי האופן שבו ברקליום ואקטינידים אחרים מתנהגים ביחס לעמיתיהם בטבלה המחזורית", אמר מחבר שותף סטפן מינאסיאן, מדען במחלקה למדעי הכימיה של מעבדת ברקלי, אשר עובד על הכנת תרכובות אורגנו-מתכתיות של אקטינידים, מכיוון שהן מאפשרות להם לצפות במבנים אלקטרוניים ייחודיים של אקטינידים.

אקטינידים הם סדרה של 15 יסודות מתכתיים רדיואקטיביים בטבלה המחזורית, הממוקמים בבלוק f. אורניום ופלוטוניום הם דוגמאות לאקטינידים. הם ידועים בתכונותיהם הרדיואקטיביות ו... משמשים בכורים גרעיניים ובטכנולוגיות אחרות.

בשנה שעברה, שותפות בין חוקרים מאוניברסיטת אופסלה, שבדיה, ואוניברסיטת קולומביה, ארה"ב, הובילה ל... גילוי חומר קוונטי דו-ממדי בשם CeSiI⁶, עם מבנה גבישי של צריום, סיליקון ויוד. מבנה הגביש שלו דומה לסידור דו-ממדי של שכבות ברורות, דקות כאטום. 

האלקטרונים של CeSil מתנהגים כפרמיונים כבדים, עם מסה אפקטיבית גדולה עד פי 100 מזו שבחומרים רגילים. מסה אפקטיבית זו היא אניזוטרופית; לכן, היא תלויה בכיוון שבו האלקטרונים נעים בשכבות האטום.

"עם תגלית זו, יש לנו כעת פלטפורמת חומרים משופרת משמעותית לחקירת מבני אלקטרונים מתואמים. חומרים דו-ממדיים הם כמו ערכת בנייה עם חלקי לגו. השותפים שלנו כבר עובדים על הוספת שכבות מחומרים דו-ממדיים אחרים כדי ליצור חומר חדש עם תכונות קוונטיות מותאמות אישית."

- צ'ין שן אונג מהמחלקה לפיזיקה ואסטרונומיה באופסלה

במדעי החומרים, ישנן אינספור אפשרויות, ובחירת החומר הנכון היא מכשול מרכזי לייצור חדש תגליות. בעוד תחזיות מבוססות תיאוריה ואימותים מבוססי ניסויים מסייעים בבחירה, זה נותר מקוטע.

זֶה זהו המקום שבו האינפורמטיקה של חומרים המונעת על ידי בינה מלאכותית תופסת פיקוד, ומשלבת תובנות בקנה מידה קוונטי עם מערכי נתונים גדולים כדי לסנן, למדל ולמטב במהירות חומרים חדשים שבלתי אפשרי לגלות באמצעות ניסוי וטעייה קונבנציונלי.

צוות חוקרים מאוניברסיטת טוהוקו בנה בנוי על ידי בינה מלאכותית מפת חומרים⁷ לאחד כל נתונים ניסיוניים עם נתונים חישוביים מייצגים של עקרונות ראשונים, במטרה לעזור חוקרים מוצאים את החומר המתאים למצב נתון.

המפה היא גרף גדול עם צירים עבור דמיון מבני וביצועים תרמואלקטריים (zT), כאשר כל נקודת נתונים מייצגת חומר. חומרים דומים מופיעים כאן ב close קרבה. מכיוון שחומרים אלה בדרך כלל מסונתזים והוערכו באמצעות שיטות ומכשירים דומים, המפה מאפשרת לניסויים לאתר במהירות אנלוגים של חומרים לא ידועים בעלי ביצועים גבוהים ולשנות את ייעודם של פרוטוקולי סינתזה קיימים כצעדים הבאים.

בדרך זו, הכלי יכול לסייע בהפחתת עלויות פיתוח ולהאיץ חדשנות ואת פריסתה בעולם האמיתי. בעתיד, הצוות מתכנן להרחיב את המסגרת שלהם מעבר לתרמואלקטריקה ולכלול חומרים טופולוגיים ומגנטיים ולשלב תיאורים נוספים כדי ליצור עיצוב חומרים מקיף בסיוע בינה מלאכותית. פלטפורמת תמיכה.

"על ידי מתן מבט אינטואיטיבי, ממעוף הציפור, על מועמדים רבים, המפה עוזרת לחוקרים לבחור מטרות מבטיחות במבט חטוף; לכן, צפוי לקצר משמעותית את לוחות הזמנים של פיתוח חומרים פונקציונליים חדשים."

– פרופסור חבר יוסוקה השימוטו

בינתיים, מחקר מאוניברסיטת גטבורג פיתח מודל של בינה מלאכותית ל קבע ביעילות את החוזק והעמידות⁸ של חומרים מרוכבים ארוגים.

ביצוע בדיקות גופניות ובדיקות מפורטות הדמיות מחשב לתכנן חומרים מרוכבים חדשים באיכות גבוהה, "קשה במיוחד כאשר החומר המרוכב נוצר כחומר סיבי טקסטיל ארוג, שבו הסיבים עטופים זה סביב זה ומתנהגים בצורה שונה בהתאם לכוחות שהחומר מפעיל נתון "ל", ציין אחסן גאנה, סטודנט לדוקטורט במחלקה לפיזיקה באוניברסיטת גטבורג.

בעוד שמחשבים כבר יכולים לדמות מיקרו-מבנים מציאותיים המבוססים על אינטראקציות והשפעות של חומר, חומרים מרוכבים ארוגים עדיין דורשים עיבוד משמעותי. משאבי חישוב. רשתות נוירונים מציעות אלטרנטיבה, אך הן דורשות כמויות גדולות של נתוני אימון ומתקשות להסיק מסקנות., אז הצוות פיתח מודל בינה מלאכותית כללי שאינו דורש כל כך הרבה נתונים.

המודל אומן על סמך נתוני סימולציה ובדיקה קיימים עבור החומרים המרכיבים את החומר המרוכב, מה שמאפשר לו לחזות את עמידותו של החומר המרוכב החדש..

בעוד שמחקר גטבורג חקר שיטות לשילוב חוקי חומרים במודל הבינה המלאכותית, צוות חוקרים מ-KAIST שילב חוקים פיזיקליים עם מודל הבינה המלאכותית שלו כדי לאפשר חקירה מהירה של חומרים חדשים גם כאשר הנתונים רועשים או מוגבלים.

זיהוי הנכס הוא אחד מפתח צעדים בפיתוח חומרים חדשים, אך זה דורש כמויות אדירות של נתונים ניסיוניים וציוד יקר, אשר מגביל יעילות המחקר. צוות KAIST התגבר על צורך זה על ידי שילוב החוקים השולטים בעיוות ובאינטראקציה בין חומרים ואנרגיה.

החוקרים דיווחו על טכניקת רשת נוירונים מבוססת פיזיקה (PINN)⁹ לזהות תכונות חומר והתנהגות עיוות באמצעות כמות קטנה בלבד של נתונים מניסוי בודד. לאחר מכן הם הציגו מודל בינה מלאכותית, מפעיל עצבי מבוסס פיזיקה (PINO), שמבין את חוקי הפיזיקה. ויכול להכליל לחומרים בלתי נראים.

חוקרים מ-MIT לקחו את זה עוד יותר על ידי פיתוח של שיטה המשלבת מידע ממקורות מרובים¹⁰: ספרות, הרכבים כימיים, תמונות מיקרו-מבניות ועוד. 

זהו חלק מפלטפורמת Copilot החדשה עבור מדענים ניסויים בעולם האמיתי (CREST). השיטה שלהם משתמשת בציוד רובוטי כדי לאפשר בדיקה בתפוקה גבוהה של חומרים, ולאחר מכן מזינה את התוצאות חזרה למודלים רב-מודאליים גדולים כדי לשפר את המתכונים שלהם.

החוקרים השתמשו ב"עוזר זה, ולא כתחליף, לחוקר אנושי".ש', לחקור מעל 900 שיטות כימיות ולבצע 3,500 בדיקות אלקטרוכימיות שהוביל לגילוי חומר זרז שסיפק צפיפות הספק שיא בתא דלק לייצור חשמל.

השקעה בקידום מדעי החומרים

בעולם מדעי החומרים, ATI Inc. (ATI ) ידועה בחומרי המומחיות המתקדמים שלה מבחינה טכנית וברכיבים מורכבים. החברה מייצרת חומרים בעלי ביצועים גבוהים לשוקי התעופה והחלל, הביטחון, הרפואה, האלקטרוניקה והאנרגיה.

מוצרי ATI עשויים מסגסוגות וסופר-סגסוגות מבוססות ניקל, טיטניום וסגסוגות מבוססות טיטניום, וסגסוגות מיוחדות. החברה פועלת באמצעות שני מגזרי פעילות:

• חומרים ורכיבים בעלי ביצועים גבוהים (HPMC)
• סגסוגות ופתרונות מתקדמים (AA&S)

עם שווי שוק של 13.5 מיליארד דולר, מניית ATI נסחרת במחיר של 99.37 דולר, עלייה של 80.5% השנה. הרווח למניה (ETM) שלה עומד על 3.10 ומכפיל הרווח (ETM) עומד על 32.09. החברה משלמת תשואת דיבידנד של 0.32%.