Isang Bagong Paraan upang Kontrolin ang Liwanag para sa Mas Mabilis na Hinaharap na mga Kompyuter

Nilikha ng mga siyentipiko ang isang bagong uri ng metamaterial na maaaring magbigay ng komprehensibong kakayahang harangan ang liwanag para sa photonic computing.

Ang ang metamaterial ay isang engineered material na ang mga katangian ay hindi nagmumula sa kemikal na komposisyon ng mga base component nito kundi mula sa kanilang maingat na dinisenyong internal na estruktura. Bilang gayon, ang mga materyales na ito ay maaaring magpakita ng hindi pangkaraniwang mga katangian na hindi matatagpuan sa mga natural na materyales.

Karaniwan, ang mga materyales na ito ay binubuo ng maraming materyales, tulad ng mga metal at plastik, at inayos sa paulit-ulit, sub-wavelength na mga estruktura. Ang hugis, sukat, geometry, orientasyon, at ayos ay nagbibigay sa kanila ng kanilang mga katangian, na nagpapahintulot sa kanila na manipulahin ang electromagnetic, acoustic, o seismic na alon sa pamamagitan ng pagsipsip, pagbaluktot, pagpapahusay, o pagharang ng mga alon upang makamit ang mga benepisyo na hindi posible sa tradisyunal na mga materyales.

Ang bagong metamaterial na dinisenyo¹ ng mga siyentipiko sa New York University ay pinagsasama ang mga tampok na karaniwang nauugnay sa mga likido at kristal ngunit nalalampasan ang pareho sa kakayahan nitong harangan ang papasok na liwanag mula sa lahat ng anggulo.

Tinawag na gyromorphs, ang bagong klase ng functional na magkakaugnay na di-ordenadong mga materyales ay pinagsasama ang random na katangian na parang likido sa malakihang pattern ng estruktura upang harangan ang liwanag mula sa lahat ng direksyon. Ayon sa pag-aaral:

“Lumilikha kami ng gyromorphs sa 2D at 3D gamit ang spectral optimization methods, na nagpapatunay na nagpapakita sila ng malakas na discrete rotational order ngunit walang long-range translational order, habang pinananatili ang rotational isotropy sa maikling saklaw para sa sapat na malaking 퐺.”

Sa inobasyong ito, nalutas ng mga mananaliksik ang mga limitasyon sa mga disenyo batay sa quasicrystal na matagal nang nakakaabala sa mga siyentipiko. Makakatulong din ito sa pagpapasulong ng photonic computing.

Mula sa Quasicrystals hanggang Gyromorphs sa Photonic Computing

Sa photonic computing, ang mga photon sa halip na mga kuryente ay ginagamit para sa pagsasagawa ng mga kalkulasyon. Ang bagong henerasyong ito ng mga kompyuter, kapag naipatupad, ay maaaring maging mas mahusay at mas mabilis kaysa sa tradisyunal na mga makina.

Sa pagproseso ng datos sa bilis ng liwanag, nagdadala ito ng pangako para sa mga mataas na pagganap na gawain tulad ng AI, ngunit ang teknolohiya ay kasalukuyang humaharap sa mga hamon sa miniaturization at gastos.

Ang mga pag-unlad sa larangan ay nagdala sa pagbuo ng functional na photonic chips para sa integrasyon sa mga high-performance computing server. Ngunit ang light-driven computing ay nasa maagang yugto pa, kung saan nahihirapan ang mga mananaliksik na kontrolin ang mikroskopikong agos ng liwanag na dumadaloy sa isang chip.

Ang maingat na dinisenyong mga materyales ay kailangan upang matagumpay na mairuta muli ang maliliit na optical signal na hindi nagpapahina sa kanilang lakas. Ang pagpapanatiling malakas ng mga signal na ito ay nangangailangan ng isang espesyal, magaan na sangkap sa hardware na pumipigil sa stray light na pumasok mula sa anumang direksyon.

Isang mahalagang sangkap upang makamit ito ay ang pagsasama ng isotropic bandgap material. Ang materyal na ito ay humaharang sa liwanag o iba pang alon mula sa paglaganap sa lahat ng direksyon, basta ang mga frequency ay nasa loob ng bandgap nito. Ang ganitong materyal ay maaaring di-ordenado ngunit hyperuniform, ibig sabihin wala itong long-range translational order ngunit may tiyak, kontroladong uri ng randomness.

Kapag nagdidisenyo ng isotropic bandgap materials, matagal nang nakatuon ang mga mananaliksik sa quasicrystals.

Ang mga estrukturang ito na sumusunod sa mga matematikal na patakaran ngunit hindi nag-uulit tulad ng tradisyonal na kristal ay unang natuklasan ng siyentistang si Dan Shechtman noong unang bahagi ng 1980s, kung saan nanalo siya ng Nobel Prize sa Chemistry noong 2011.

Ang pagtuklas ay ginawa habang nagsasaliksik ng aluminyo at manganeso. Nang ang dalawang metal ay natunaw nang magkasama at mabilis na pinalamig upang bumuo ng alloy, nagpakita ito ng sampung beses na simetrya sa ilalim ng electron microscope, isang katangian na hindi nangyayari sa mga kristalinong estruktura tulad ng mga metal.

Ang mga quasicrystal ay may mga katangian ng kristalinong estruktura, tulad ng diyamante, na nangangahulugang sila ay nakaayos sa mga pattern, pati na rin ng amorphous na estruktura tulad ng salamin, na nangangahulugang ang mga pattern na iyon ay hindi nag-uulit. Ang kanilang natatanging katangian ay ginagawang matibay at marupok ang mga quasicrystal.

Sa isang pag-aaral mula sa University of Michigan noong unang bahagi ng taong ito, natuklasan ng mga mananaliksik na ang mga quasicrystal ay pangunahing matatag na mga materyales² sa kabila ng pagkakapareho sa mga di-ordenadong solid.

“Kailangan nating malaman kung paano ayusin ang mga atom sa tiyak na estruktura kung nais nating magdisenyo ng mga materyales na may nais na katangian,” pahayag ng co-author ng pag-aaral, si Wenhao Sun, Dow Early Career Assistant Professor ng Materials Science and Engineering. “Pinilit tayo ng mga quasicrystal na muling pag-isipan kung paano at bakit nabubuo ang ilang materyales.”

Upang magbigay ng mga sagot kung bakit umiiral ang mga quasicrystal o kung paano sila nabubuo, kailangang unang maunawaan ng mga mananaliksik kung ano ang nagpapatatag sa kanila. Para dito, kinailangan nilang alamin kung ang mga quasicrystal ay enthalpy- o entropy-stabilized, kaya kumuha ang mga mananaliksik ng mas maliliit na nanoparticle mula sa mas malaking simulated block ng quasicrystal, pagkatapos ay kinuwenta ang kabuuang enerhiya sa bawat nanoparticle.

Natuklasan ng mga mananaliksik na parehong ang kilalang quasicrystal, isang alloy ng scandium at zinc, at isang alloy ng ytterbium at cadmium, ay enthalpy-stabilized.

Para sa kalkulasyon, ginamit ng koponan ang quantum-mechanical simulations ng mga quasicrystal, at upang lutasin ang computing bottleneck, pinayagan lamang ang mga kalapit na processor na mag-communicate sa halip na bawat computer processor na mag-communicate sa isa’t isa, na nagpadali sa kanilang algorithm ng hanggang 100 beses na mas mabilis.

“Maaari na naming i-simulate ngayon ang salamin at amorphous na mga materyales, mga interface sa pagitan ng iba’t ibang kristal, pati na rin ang mga depekto ng kristal na maaaring magbigay-daan sa mga quantum computing bits.”

– Vikram Gavini, isang propesor sa U-M ng mechanical engineering at materials science and engineering

Sa isa pang pananaliksik, natuklasan ng mga siyentipiko ng National Institute of Standards and Technology (NIST) ang mga quasicrystal sa isang bagong aluminum-zirconium alloy, na nabuo sa ilalim ng matinding kondisyon ng 3D metal printing.

Habang ang pagdaragdag ng zirconium sa aluminum powder ay nagpapahintulot sa pag-print ng high-strength aluminum alloys, nais ng NIST team na maunawaan kung ano ang nagpapalakas sa metal na ito, upang magamit ito sa mga kritikal na bahagi tulad ng mga bahagi ng militar na eroplano.

At natuklasan nila na ang mga quasicrystal ang responsable para dito. Ang pagbasag sa regular na pattern ng mga kristal ng aluminyo ay nagpapalakas ng alloy. Kapag tiningnan mula sa tamang anggulo, natuklasan ng koponan ang “napakabihirang” limang beses na rotational symmetry, bukod sa dalawang beses at tatlong beses na symmetry, mula sa dalawang magkaibang anggulo.

Ito, ayon sa NIST physicist at co-author na si Fan Zhang, “magbubukas ng bagong paraan sa disenyo ng alloy. Sa pananaliksik na nagpapakita na “ang mga quasicrystal ay maaaring magpalakas ng aluminyo. Ngayon maaaring subukan ng mga tao na likhain ito nang sinadya sa mga susunod na alloy,” dagdag pa niya.

Sa Loob ng Rebolusyon ng Gyromorph: Isotropic Bandgap Materials

Ang mga quasicrystal ay may malaking pangako. May kakayahan pa nga silang ganap na harangan ang liwanag. Ngunit limitado lamang sa ilang direksyon. At habang maaari nilang pahinain ang liwanag mula sa lahat ng direksyon, hindi nila ito kayang pigilan nang ganap.

Upang mapagtagumpayan ang limitasyong ito, naghanap ang mga siyentipiko ng mga alternatibo na maaaring mas epektibong harangan ang liwanag na nagpapahina ng signal. Ito ay nagdala sa pagbuo ng gyromorphs, na makakatulong sa paggawa ng mga materyales na mas epektibong pumipigil sa stray light na pumasok mula sa anumang direksyon. Ayon sa senior author ng pag-aaral, si Stefano Martiniani, na isang assistant professor ng physics, chemistry, mathematics, at neural science:

“Ang mga gyromorph ay kakaiba sa anumang kilalang estruktura dahil ang kanilang natatanging komposisyon ay nagdudulot ng mas mahusay na isotropic bandgap materials kaysa sa posible sa kasalukuyang mga pamamaraan.”

Gayunpaman, isang malaking balakid sa pagdidisenyo ng mga materyales na ito, kung saan ang mga katangian ay nakadepende sa kanilang arkitektura, ay ang ayos na kinakailangan upang makamit ang ninanais na pisikal na katangian.

Inilathala sa Physical Review Letters, detalye ng mga mananaliksik mula sa New York University ang isang bagong estratehiya⁴ upang i-tune ang optical behavior.

Nabuo ng koponan ang isang algorithm na maaaring lumikha ng functional na mga estruktura na may built-in disorder. Ang bagong anyo ng “correlated disorder” na inilahad ng koponan ay nasa gitna ng dalawang sukdulan: ganap na ordered at ganap na random.

“Isipin ang mga puno sa kagubatan – sila ay tumutubo sa random na posisyon, ngunit hindi ganap na random dahil karaniwan silang may tiyak na distansya sa isa’t isa. Ang bagong pattern na ito, gyromorphs, ay pinagsasama ang mga katangiang pinaniniwalaang hindi magkatugma at nagpapakita ng isang function na humihigitan ang lahat ng ordered na alternatibo, kabilang ang quasicrystals.”

– Martiniani

Sa kanilang pananaliksik, napansin ng koponan na lahat ng isotropic bandgap materials ay nagpapakita ng parehong structural signature. Kaya’t nagtuon sila sa paggawa nito “kasing malinaw hangga’t maaari,” na nagdulot ng paglikha ng gyromorphs.

Ang nagresultang bagong klase ng mga materyales, ayon kay lead author na si Mathias Casiulis, isang postdoctoral fellow sa Department of Physics ng NYU, ay nagsabi, “pagkakasundo ng mga tila hindi magkatugmang tampok,” dahil wala silang crystal-like, fixed, repeating structure, na nagbibigay sa kanila ng liquid-like disorder. Kasabay nito, kapag tinitingnan mula sa malayo, bumubuo sila ng regular na mga pattern.

“Ang mga katangiang ito ay nagsasama upang lumikha ng mga bandgap na hindi kayang pasukin ng mga lightwave mula sa anumang direksyon.”

– Casiulis 

Nagpakilala din ang koponan ng “polygyromorphs” na may maraming rotational symmetries sa iba’t ibang sukat upang pahintulutan ang pagbuo ng maraming band gap sa isang estruktura, kaya binubuksan ang mga pintuan para sa mas pinong kontrol sa mga optical property.
I-swipe para mag-scroll →

AI at Susunod na Henerasyon ng Quantum Materials sa Pagtuklas

Habang patuloy na itinutulak ng mga mananaliksik ang mas malalim na pag-aaral sa susunod na henerasyon ng mga materyales, lumilitaw ang ganap na mga bagong klase ng mga materyales.

Kamakailan, isang pangkat ng mananaliksik na pinamunuan ng Department of Energy’s Berkeley Lab iniulat ang pagtuklas⁵ ng “berkelocene,” isang organometallic molecule na naglalaman ng synthetic, mabigat, radioactive na element na berkelium.

Ang mga molecule ay binubuo ng isang metal ion na napalibutan ng carbon-based framework, at habang medyo karaniwan ito para sa mga maagang actinide element, bihira itong makilala para sa mga huli.

“Ito ang unang pagkakataon na nakuha ang ebidensya para sa pagbuo ng chemical bond sa pagitan ng berkelium at carbon. Ang pagtuklas ay nagbibigay ng bagong pag-unawa kung paano kumikilos ang berkelium at iba pang actinide kumpara sa kanilang mga kapantay sa periodic table,” sabi ng co-author na si Stefan Minasian, isang siyentipiko sa Chemical Sciences Division ng Berkeley Lab, na nagtrabaho sa paghahanda ng organometallic compounds ng actinides dahil pinapayagan nito silang obserbahan ang natatanging electronic structure ng mga actinide.

Ang actinides ay isang serye ng 15 radioactive na metal na elemento sa periodic table, matatagpuan sa f-block. Ang uranium at plutonium ay mga halimbawa ng actinides. Kilala sila sa kanilang radioactive na katangian at ginagamit sa mga nuclear reactor at iba pang teknolohiya.

Noong nakaraang taon, isang pakikipagtulungan sa pagitan ng mga mananaliksik mula sa Uppsala University, Sweden, at Columbia University, US, ay nagdala sa pagtuklas ng isang 2D quantum material na tinatawag na CeSiI⁶, na may crystal structure ng cerium, silicon, at iodine. Ang crystal structure nito ay kahawig ng dalawang-dimensional na ayos ng mga natatanging, manipis na atom na patong.

Ang mga electron ng CeSiI ay kumikilos bilang heavy fermions, na may epektibong masa na hanggang 100 beses na mas malaki kaysa sa karaniwang materyales. Ang epektibong masa na ito ay anisotropic; kaya, ito ay depende sa direksyon kung saan gumagalaw ang mga electron sa atomic layers.

“Sa pagtuklas na ito, mayroon na tayo ng lubos na pinahusay na material platform para sa pagsisiyasat ng correlated electron structures. Ang mga 2D material ay parang construction kit na may mga pirasong LEGO. Ang aming mga kasosyo ay nagsisimula nang magdagdag ng mga layer mula sa ibang 2D material upang lumikha ng bagong materyal na may customized na quantum properties.”

– Chin Shen Ong mula sa Department of Physics and Astronomy sa Uppsala

Sa materyal na agham, napakaraming posibilidad, at ang pagpili ng tamang materyal ay isang pangunahing balakid sa paggawa ng mga bagong tuklas. Habang ang mga teorya na pinapatakbo ng prediksyon at mga eksperimento na batay sa pag-validate ay tumutulong sa pagpili, ito ay nanatiling fragmented.

Dito pumapasok ang AI-driven materials informatics, na nag-iintegrate ng quantum-scale na kaalaman sa malalaking dataset upang mabilis na magscreen, magmodelo, at mag-optimize ng mga bagong materyales na imposibleng matuklasan sa pamamagitan ng tradisyunal na trial-and-error.

Isang pangkat ng mga mananaliksik sa Tohoku University nagtayo ng AI-built materials map⁷ upang pagsamahin ang lahat ng experimental data sa representatibong first-principles computational data, na may layuning tulungan ang mga mananaliksik na mahanap ang tamang materyal para sa isang partikular na sitwasyon.

Ang mapa ay isang malaking graph na may mga axis para sa structural similarity at thermoelectric performance (zT), kung saan ang bawat datapoint ay kumakatawan sa isang materyal. Ang magkatulad na mga materyales dito ay lumalabas nang malapit. Dahil ang mga materyales na ito ay karaniwang sinisintetisa at sinusuri gamit ang magkatulad na mga pamamaraan at device, pinapayagan ng mapa ang mga experimentalist na mabilis na makita ang mga analog ng hindi kilalang high-performance na materyales at i-repurpose ang umiiral na synthesis protocols bilang susunod na hakbang.

Sa ganitong paraan, makakatulong ang tool na bawasan ang gastos sa pag-develop at pabilisin ang inobasyon at ang aktwal na pag-deploy nito. Sa hinaharap, plano ng koponan na palawakin ang kanilang framework lampas sa thermoelectrics upang isama ang topological at magnetic na materyales at magdagdag ng karagdagang mga descriptor upang lumikha ng isang komprehensibo, AI-assisted na platform para sa disenyo ng materyales.

“Sa pamamagitan ng pagbibigay ng isang intuitive, bird’s-eye view sa maraming kandidato, ang mapa ay tumutulong sa mga mananaliksik na pumili ng mga promising target nang mabilis; kaya’t inaasahan itong lubos na paikliin ang development timelines para sa mga bagong functional na materyales.”

– Associate Professor Yusuke Hashimoto

Samantala, isang pag-aaral mula sa University of Gothenburg ang nag-develop ng AI model upang epektibong matukoy ang lakas at tibay⁸ ng woven composite materials.

Ang pagsasagawa ng mga pisikal na pagsusuri at detalyadong computer simulations upang magdisenyo ng mga bagong high-quality composite materials ay “lalo na mahirap kapag ang composite ay nilikha bilang woven textile fiber material, kung saan ang mga hibla ay nakabalot sa isa’t isa at kumikilos nang iba depende sa puwersang inilalapat sa materyal,” pahayag ni Ehsan Ghane, isang Ph.D. student sa Department of Physics sa University of Gothenburg.

Habang maaaring i-simulate na ng mga computer ang realistic na microstructures batay sa interaksyon at impluwensya ng materyal, ang woven composite materials ay nangangailangan pa rin ng malaking computational resources. Ang neural networks ay nag-aalok ng alternatibo, ngunit nangangailangan ito ng malaking dami ng training data at nahihirapang mag-extrapolate, kaya nag-develop ang koponan ng isang generalized AI model na hindi nangangailangan ng ganoong karaming data.

Ang modelo ay sinanay sa umiiral na simulation at test data para sa mga constituent materials ng composite, na nagbibigay-daan dito upang mahulaan ang tibay ng bagong composite.

Habang sinuri ng pag-aaral ng Gothenburg ang mga pamamaraan upang isama ang mga batas ng materyal sa AI model, isang pangkat ng mga mananaliksik mula sa KAIST ang nagsanib ng mga pisikal na batas sa kanilang AI model upang pahintulutan ang mabilis na pag-explore ng mga bagong materyales kahit na ang data ay maingay o limitado.

Ang pagtukoy ng katangian ay isa sa mga susi na hakbang sa pag-develop ng mga bagong materyales, ngunit nangangailangan ito ng napakalaking dami ng experimental data at mamahaling kagamitan, na naglilimita sa kahusayan ng pananaliksik. Nalampasan ng KAIST team ang pangangailangang ito sa pamamagitan ng pagsasama ng mga batas na namamahala sa deformation at interaksyon ng mga materyales at enerhiya.

Iniulat ng mga mananaliksik isang physics-informed neural network (PINN) technique⁹ upang matukoy ang mga katangian ng materyal at pag-uugali ng deformation gamit lamang ang maliit na dami ng data mula sa isang eksperimento. Pagkatapos, ipinakilala nila ang isang AI model, ang Physics-Informed Neural Operator (PINO), na nauunawaan ang mga batas ng pisika at maaaring mag-generalize sa mga hindi pa nakikitang materyales.

Ang mga mananaliksik ng MIT ay nagpatuloy pa sa pamamagitan ng pag-develop ng isang paraan na nag-iintegrate ng impormasyon mula sa maraming pinagmulan: literatura, chemical compositions, microstructural images, at iba pa.

Ito ay bahagi ng bagong Copilot platform para sa Real-world Experimental Scientists (CRESt). Ang kanilang pamamaraan ay gumagamit ng robotic equipment upang paganahin ang high-throughput testing ng mga materyales, pagkatapos ay ibinabalik ang mga resulta sa malalaking multimodal models upang mapabuti ang kanilang mga recipe.

Gumamit ang mga mananaliksik ng “assistant, hindi kapalit, para sa mga human researcher,” upang mag-explore ng higit sa 900 na kemistri at magsagawa ng 3,500 na electrochemical tests na nagdala sa pagtuklas ng isang catalyst material na naghatid ng rekord na power density sa isang fuel cell upang lumikha ng kuryente.

Pamumuhunan sa Pag-unlad ng Materials Science

Sa mundo ng materials science, ang ATI Inc. (ATI ) ay kilala sa kanyang teknikal na advanced na specialty materials at kumplikadong mga komponent. Ang kumpanya ay gumagawa ng high-performance na mga materyales para sa aerospace, defense, medical, electronics, at energy markets.

Ang mga produkto ng ATI ay gawa mula sa nickel-based alloys at superalloys, titanium at titanium-based alloys, at specialty alloys. Ito ay nagpapatakbo sa pamamagitan ng dalawang segment:

• High Performance Materials & Components (HPMC)
• Advanced Alloys & Solutions (AA&S)

Sa market cap na $13.5 bilyon, ang mga shares ng ATI ay nagte-trade sa $99.37, tumaas ng 80.5% ngayong taon. Mayroon itong EPS (TTM) na 3.10 at P/E (TTM) na 32.09. Ang kumpanya ay nagbabayad ng dividend yield na 0.32%.