Daha Hızlı Gelecek Bilgisayarlar İçin Işığı Kontrol Etmenin Yeni Bir Yolu

Bilim insanları, fotonik hesaplama için kapsamlı ışık engelleme işlevi sunabilen yeni bir tür metamalzeme yarattılar.

A metamalzeme, tasarlanmış bir malzemedir Özellikleri temel bileşenlerinin kimyasal bileşiminden değil, özenle tasarlanmış iç yapılarından kaynaklanır. Bu nedenle, bu malzemeler alışılmadık özellikler sergileyebilir. özellikleri bulunamadı doğal olarak oluşan malzemelerde.

Bu malzemeler genellikle metal ve plastik gibi birden fazla malzemeden oluşur ve tekrarlayan, dalga boyu altı yapılar halinde düzenlenir. Şekil, boyut, geometri, yönelim ve düzenleme, onlara özelliklerini kazandırır ve geleneksel malzemelerle elde edilemeyen avantajlar elde etmek için elektromanyetik, akustik veya sismik dalgaları emerek, bükerek, güçlendirerek veya engelleyerek yönlendirmelerine olanak tanır.

MKS yeni metamalzeme tasarlandı¹ New York Üniversitesi'ndeki bilim insanları tarafından geliştirilen özellikler Yani tipik olarak sıvılar ve kristallerle ilişkilendirilir ama aşmak her ikisi de Bunların gelen ışığı her açıdan engelleme yeteneğiyle.

Jiromorflar olarak adlandırılan, işlevsel olarak ilişkili düzensiz malzemelerin yeni sınıfı, sıvı benzeri rastgeleliği büyük ölçekli yapısal desenlerle birleştirerek ışığı her yönden engelliyor. Çalışmada şunlar belirtildi:

"Spektral optimizasyon yöntemleri ile 2B ve 3B'de jiromorflar üretiyoruz ve bunların güçlü ayrık dönme düzenini ancak uzun menzilli öteleme düzenini göstermediğini, aynı zamanda kısa menzilde dönme izotropisini yeterince büyük bir aralıkta koruduğunu doğruluyoruz. 𝐺.” 

Bu yenilikle araştırmacılar, çözülmüş uzun süredir var olan kuasikristal tabanlı tasarımlardaki sınırlamalar rahatsız ediyordum Bilim insanları. Ayrıca fotonik hesaplamada ilerleme sağlanmasına da yardımcı olabilir.

Fotonik Hesaplamada Kuasikristallerden Jiromorflara

Fotonik hesaplamada fotonlar yerine elektrik akımları kullanılır performans için hesaplamalar. Bu yeni nesil bilgisayarlar, bir kez hayata geçirildiğinde, geleneksel konvansiyonel makinelere göre çok daha verimli ve hızlı olabilir.

İle ışık hızında veri işlemeYapay zeka gibi yüksek performanslı görevler için umut vadediyor ancak teknoloji şu anda minyatürleştirme ve maliyet açısından zorluklarla karşı karşıya. 

Bu alandaki gelişmeler, yüksek performanslı bilgi işlem sunucularına entegre edilebilecek işlevsel fotonik çiplerin geliştirilmesine yol açmıştır. Ancak ışıkla çalışan bilgi işlem hala Bir de erken sahneAraştırmacıların bir çipten geçen mikroskobik ışık akımlarını kontrol etmede zorlandığı bir dönemde. 

Bu küçük optik sinyallerin güçlerini zayıflatmadan başarılı bir şekilde yeniden yönlendirmek için dikkatle tasarlanmış malzemelere ihtiyacımız var. Bu sinyallerin güçlü tutulması şunları gerektirir: a uzmanlaşmış, hafif maddede herhangi bir yönden gelen ışığın içeri girmesini engelleyen donanım. 

Bunu başarmanın en önemli bileşenlerinden biri izotropik bant aralığı malzemesinin dahil edilmesidir. Bu malzeme, frekansları bant aralığı içinde kaldığı sürece ışığın veya diğer dalgaların her yöne yayılmasını engeller. Bu tür malzemeler düzensiz ancak hiperüniform olabilir; yani uzun menzilli öteleme düzeninden yoksundur, ancak belirli ve kontrollü bir rastgelelik türüne sahiptir.

Araştırmacılar, izotropik bant aralığı malzemelerini tasarlarken, uzun süre odaklanmış kuasikristaller üzerine.

Bu yapılar o matematiksel kuralları takip edin ancak geleneksel kristaller gibi tekrar etmeyin ilk keşfedilenler bilim insanı Dan Shechtman tarafından geri 1980'lerin başında Nobel Ödülü'nü kazandı 2011 yılında Kimya alanında.

Keşif yapıldığı alüminyum ve manganez üzerine araştırma yaparken. İki metal birlikte eritildiler ve hızla soğutularak bir alaşım haline getirildiklerinde, elektron mikroskobu altında on kat simetri sergilediler; bu özellik metaller gibi kristal yapılarda görülmez.

Kuasikristaller, elmaslar gibi kristal yapıların özelliklerine sahiptir, bu da onların organize edildi Cam gibi amorf yapılara ve desenlere dönüşebilen bu yapılar, bu desenlerin tekrarlanmaması anlamına gelir. Benzersiz özellikleri, kuasikristalleri hem dayanıklı hem de kırılgan kılar.

Michigan Üniversitesi'nde bu yılın başlarında yapılan bir araştırmada, araştırmacılar, kuasikristallerin temelde kararlı malzemeler olduğunu buldular² düzensiz katılarla benzerlik taşımasına rağmen.

Çalışmanın ortak yazarı ve Dow Erken Kariyer Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Yardımcı Doçenti Wenhao Sun, "İstenilen özelliklere sahip malzemeler tasarlamak istiyorsak, atomları belirli yapılara nasıl yerleştireceğimizi bilmemiz gerekiyor," diye belirtti. "Kuasikristaller, belirli malzemelerin nasıl ve neden oluşabileceğini yeniden düşünmemizi sağladı."

Sağlamak the e cevaplar sadece kuasikristallerin neden var olduğu veya nasıl oluştukları oluşuraraştırmacılar, ilk önce anlamak sadece onları istikrarlı kılan şey nedir? Bunun için, yapmaları gerekiyordu belirlemek if kuasikristaller entalpi veya entropi açısından kararlıdır, so araştırmacılar aldı daha küçük nanopartiküller daha büyük simüle edilmiş bir bloktan of yarı kristal, Daha sonra hesaplandı toplam enerji in her nanopartikül.

Araştırmacılar, iyi araştırılmış olan hem skandiyum ve çinko alaşımı olan kuasikristallerin hem de iterbiyum ve kadmiyum alaşımının entalpi-stabilize olduğunu keşfettiler.

Hesaplama için ekip, kuasikristallerin kuantum mekanik simülasyonlarını kullandı ve çözmek the bilgisayar darboğaz, sadece the komşu işlemciler her biri yerine iletişim kurar bilgisayar işlemci birbirleriyle iletişim kurabiliyorlardı ve bu da algoritmalarını 100 kata kadar hızlandırıyordu.

“Artık cam ve amorf malzemeleri, farklı kristaller arasındaki arayüzleri ve kuantum hesaplama bitlerini mümkün kılabilecek kristal kusurlarını simüle edebiliyoruz.”

– Vikram Gavini, UM makine mühendisliği profesörü ve malzeme bilimi ve mühendislik

Başka araştırma, the Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü (NIST) Bilim insanları yeni bir alüminyum-zirkonyum alaşımında kuasikristaller buldu³, Hangi oldu oluşturulan altında aşırı koşullar 3D metal baskı.

Alüminyum tozuna zirkonyum eklenmesi yüksek mukavemetli alüminyum alaşımlarının basılmasını sağlarken, NIST ekibi bu metali bu kadar güçlü kılan şeyin ne olduğunu anlamak istedi, bu yüzden kullanılabilir askeri uçak parçaları gibi kritik bileşenlerde. 

Ve bunun sorumlusunun kuasikristaller olduğunu buldular. Alüminyum kristallerinin düzenli desenini bozmak, alaşımı güçlendirir.. Ekip, tam doğru açıdan bakıldığında, iki katlı ve üç katlı simetrilere ek olarak "çok nadir" beş katlı dönme simetrisini buldu. iki farklı açıdan.

BuNIST fizikçisi ve ortak yazar Fan Zhang'a göre, "alaşım tasarımına yeni bir yaklaşım getirecek. Araştırma gösteriyor ki "Kuazikristaller alüminyumu daha güçlü hale getirebilir. Şimdi insanlar bunları gelecekteki alaşımlarda kasıtlı olarak üretmeye çalışabilirler," ekledi.

Jiromorf Devriminin İç Yüzü: İzotropik Bant Aralığı Malzemeleri

Kuasikristallerin çok fazla vaadi var. hatta yeteneğe sahip olmak için ışığı tamamen engellemek. Ama yalnızca sınırlı yönlerden. Ve ışığı her yönden zayıflatabilseler de, tamamen durduramazlar.

Bu sınırlamayı aşmak için bilim insanları, sinyal bozucu ışığı daha etkili bir şekilde engelleyebilecek alternatifler arıyorlar. Bu Bu, kaçak ışığın herhangi bir yönden girmesini daha etkili bir şekilde engelleyen malzemelerin yapımına yardımcı olabilecek jiromorfların geliştirilmesine yol açtı. Çalışmanın kıdemli yazarı, fizik, kimya, matematik ve sinir bilimi yardımcı doçenti Stefano Martiniani'ye göre:

"Jiromorflar, bilinen hiçbir yapıya benzemez; çünkü benzersiz yapıları, mevcut yaklaşımlarla mümkün olandan daha iyi izotropik bant aralığı malzemelerinin ortaya çıkmasına olanak tanır." 

Ancak, özellikleri mimarilerine bağlı olan bu malzemelerin mühendisliğindeki en büyük engel, bu amaca ulaşmak için gereken düzenlemedir. İstenilen fiziksel özellikler.

Physical Review Letters'da yayımlanan New York Üniversitesi araştırmacıları yeni bir stratejiyi ayrıntılarıyla anlatıyor⁴ optik davranışı ayarlamak için.

Ekip, yerleşik düzensizliğe sahip işlevsel yapılar üretebilen bir algoritma geliştirdi. Ekibin ortaya çıkardığı yeni "ilişkili düzensizlik" biçimi, iki uç nokta arasında yer alıyor: tamamen düzenli ve tamamen rastgele.

"Bir ormandaki ağaçları düşünün; rastgele konumlarda büyürler, ancak genellikle birbirlerinden belirli bir mesafede oldukları için tamamen rastgele değillerdir. Bu yeni desen, yani jiromorflar, uyumsuz olduğuna inandığımız özellikleri bir araya getiriyor ve kuasikristaller de dahil olmak üzere tüm sıralı alternatiflerden daha iyi performans gösteren bir işlev sergiliyor."

- Martiniani

Ekip, araştırmaları sırasında tüm izotropik bant aralığına sahip malzemelerin aynı yapısal imzayı gösterdiğini gözlemledi. Bu nedenle, bunu "mümkün olduğunca belirgin" hale getirmeye odaklandılar ve bu da jiromorfların yaratılmasına yol açtı.

NYU Fizik Bölümü'nde doktora sonrası araştırmacı olan başyazar Mathias Casiulis, ortaya çıkan yeni malzeme sınıfının, kristal benzeri, sabit ve tekrarlayan bir yapıya sahip olmadıkları için "görünüşte uyumsuz özellikleri uzlaştırdığını" ve bu nedenle sıvı benzeri bir düzensizlik sergilediğini belirtti. Ancak aynı zamanda, uzaktan bakıldığında düzenli desenler oluşturuyorlar.

"Bu özellikler, ışık dalgalarının hiçbir yönden nüfuz edemeyeceği bant aralıkları oluşturmak için birlikte çalışır."

– Casiulis 

Ekip ayrıca, tek bir yapıda birden fazla bant aralığının oluşmasını sağlamak için çeşitli uzunluk ölçeklerinde çoklu dönme simetrilerine sahip "polijiromorflar"ı tanıttı ve böylece optik özellikler üzerinde hassas kontrol sağlamanın kapılarını açtı.
Kaydırmak için kaydırın →

Keşifte Yapay Zeka ve Yeni Nesil Kuantum Malzemeleri

Araştırmacılar yeni nesil malzemeler üzerinde daha derinlemesine araştırmalar yapmaya devam ettikçe, tamamen yeni malzeme sınıfları ortaya çıkıyor.

Yakın zamanda, Enerji Bakanlığı'nın Berkeley Laboratuvarı liderliğindeki bir araştırma ekibi keşfi bildirdi⁵ Sentetik, ağır, radyoaktif kimyasal element berkelyum içeren organometalik bir molekül olan "berkelosen"in.

Moleküller, karbon bazlı bir çerçeveyle çevrili bir metal iyonundan oluşur ve erken aktinit elementleri için nispeten yaygın olsalar da, sonraki aktinit elementleri için pek bilinmemektedir.

"Berkelyum ile karbon arasında kimyasal bağ oluşumuna dair ilk kanıt bu. elde edildi"Bu keşif, berkelyum ve diğer aktinitlerin periyodik tablodaki benzerlerine göre nasıl davrandığına dair yeni bir anlayış sağlıyor" dedi yazarlarından Berkeley Lab'ın Kimyasal Bilimler Bölümü'nde bilim insanı olan Stefan Minasian, Aktinitlerin organometalik bileşiklerini hazırlamak ve bu bileşiklerin aktinitlerin farklı elektronik yapılarını gözlemlemek için çalışmalar yürütüyor.

Aktinitler, periyodik tabloda f bloğunda yer alan 15 radyoaktif metalik elementten oluşan bir seridir. Uranyum ve plütonyum aktinitlere örnektir. Radyoaktif özellikleriyle bilinirler ve kullanılır nükleer reaktörlerde ve diğer teknolojilerde.

Geçtiğimiz yıl, İsveç'teki Uppsala Üniversitesi ile ABD'deki Columbia Üniversitesi'nden araştırmacılar arasındaki bir ortaklık, CeSiI adı verilen 2 boyutlu bir kuantum malzemesinin keşfi⁶, seryum, silisyum ve iyottan oluşan bir kristal yapıya sahiptir. Kristal yapısı, iki boyutlu bir dizilime benzer. belirgin, atom inceliğinde katmanlar. 

CeSil'in elektronları, sıradan malzemelere göre 100 kata kadar daha büyük bir etkin kütleye sahip ağır fermiyonlar gibi davranır. Bu etkin kütle anizotropiktir; dolayısıyla elektronların atom katmanlarındaki hareket yönüne bağlıdır.

"Bu keşifle, artık ilişkili elektron yapılarını incelemek için önemli ölçüde geliştirilmiş bir malzeme platformuna sahibiz. 2B malzemeler, LEGO parçalarından oluşan bir yapı seti gibidir. Ortaklarımız, özelleştirilmiş kuantum özelliklerine sahip yeni bir malzeme oluşturmak için diğer 2B malzemelerden katmanlar eklemek üzere şimdiden çalışıyorlar."

- Uppsala Fizik ve Astronomi Bölümü'nden Chin Shen Ong

Malzeme biliminde sayısız olasılık vardır ve doğru malzemeyi seçmek, üretimde önemli bir engeldir. yeni keşifler. Teori odaklı tahminler ve deney tabanlı doğrulamalar seçimi bilgilendirmeye yardımcı olurken, parçalanmış.

Bu Yapay zeka destekli malzeme bilişiminin devreye girdiği nokta, kuantum ölçekli içgörüleri büyük veri kümeleriyle entegre ederek, geleneksel deneme-yanılma yoluyla keşfedilmesi imkansız olan yeni malzemeleri hızla taramak, modellemek ve optimize etmek.

Tohoku Üniversitesi'ndeki bir araştırma ekibi bir inşa etti Yapay zeka tarafından inşa edildi malzeme haritası⁷ birleşmek için Tüm temsili ilk prensip hesaplamalı verilerle deneysel veriler, yardım etme amacıyla Araştırmacılar belirli bir durum için doğru materyali bulurlar.

Harita, eksenleri olan büyük bir grafiktir Her veri noktası bir malzemeyi temsil edecek şekilde yapısal benzerlik ve termoelektrik performans (zT) için. Burada benzer materyaller şu şekilde görünür: kapat yakınlık. Bu malzemeler genellikle sentezlenir ve benzer yöntemler ve cihazlar kullanılarak değerlendirilen harita, deneycilere bilinmeyen yüksek performanslı malzemelerin analoglarını hızla tespit etmek ve mevcut sentez protokollerini bir sonraki adım olarak yeniden kullanmak.

Bu şekilde araç, geliştirme maliyetlerinin azaltılmasına ve inovasyonun ve gerçek dünyadaki uygulamalarının hızlandırılmasına yardımcı olabilir. Gelecekte ekip, termoelektriklerin ötesine geçerek topolojik ve manyetik malzemeleri de kapsayacak şekilde çerçevelerini genişletmeyi ve kapsamlı, yapay zeka destekli bir malzeme tasarımı oluşturmak için ek tanımlayıcılar eklemeyi planlıyor. destek platformu.

"Harita, birçok aday üzerinde sezgisel, kuşbakışı bir görünüm sağlayarak araştırmacıların umut vadeden hedefleri tek bakışta seçmelerine yardımcı olur; bu nedenle, bekleniyor "Yeni fonksiyonel malzemeler için geliştirme sürelerini önemli ölçüde kısaltmak."

– Doçent Yusuke Hashimoto

Bu arada, Göteborg Üniversitesi'nden bir çalışma, bir yapay zeka modeli geliştirdi için mukavemet ve dayanıklılığı verimli bir şekilde belirlemek⁸ dokuma kompozit malzemelerden.

Fiziksel testler ve detaylı bilgisayar simülasyonları yeni yüksek kaliteli kompozit malzemeler tasarlamak, "özellikle kompozit malzemeler söz konusu olduğunda zordur" yaratıldı Dokuma bir tekstil elyaf malzemesi olarak, liflerin birbirinin etrafına sarıldığı ve malzemeye uygulanan kuvvetlere bağlı olarak farklı davrandığı Tabi tutulur "" diye belirtti Göteborg Üniversitesi Fizik Bölümü'nde doktora öğrencisi olan Ehsan Ghane.

Bilgisayarlar, bir malzemenin etkileşimlerine ve etkilerine dayalı gerçekçi mikro yapıları simüle edebilirken, dokunmuş kompozit malzemeler hala önemli miktarda hesaplama kaynakları. Sinir ağları bir alternatif sunuyor ancak büyük miktarda eğitim verisi gerektiriyor ve çıkarım yapmakta zorlanıyorlarBu nedenle ekip, çok fazla veriye ihtiyaç duymayan genelleştirilmiş bir yapay zeka modeli geliştirdi.

Model, kompozitin bileşen malzemeleri için mevcut simülasyon ve test verileri üzerinde eğitildi ve bu sayede yeni kompozitin dayanıklılığını tahmin edebildi.

Göteborg araştırması, madde yasalarını yapay zeka modeline entegre etme yöntemlerini araştırırken, KAIST'ten bir araştırmacı ekibi, veriler gürültülü veya sınırlı olsa bile yeni malzemelerin hızlı bir şekilde keşfedilmesine olanak sağlamak için fizik yasalarını yapay zeka modeliyle birleştirdi.

Mülk tanımlaması birini anahtar adımlar yeni malzemeler geliştirmede, ancak bunu gerektirir büyük miktarlarda deneysel veriler ve pahalı ekipmanlar, hangi sınırlar araştırma verimliliği. KAIST ekibi, malzemelerin deformasyonunu ve enerjiyle etkileşimini yöneten yasaları entegre ederek bu ihtiyacın üstesinden geldi.

Araştırmacılar fizik bilgisine dayalı bir sinir ağı (PINN) tekniği bildirildi⁹ yalnızca az miktarda veri kullanarak malzeme özelliklerini ve deformasyon davranışını tespit etmek tek bir deneyden. Daha sonra fizik yasalarını anlayan Fizik Bilgili Sinir Operatörü (PINO) adlı bir yapay zeka modeli tanıttılar ve görünmeyen malzemelere genelleştirilebilir.

MIT araştırmacıları bunu aldı daha da ileriye giderek bir birden fazla kaynaktan gelen bilgileri birleştiren yöntem¹⁰: edebiyat, kimyasal bileşimler, mikro yapısal görüntüler ve daha fazlası. 

Yeni Copilot platformunun bir parçasıdır Gerçek Dünya Deneysel Bilim İnsanları İçin (CRESt). Yöntemleri, malzemelerin yüksek verimli test edilmesini sağlamak için robotik ekipman kullanıyor ve ardından sonuçları besliyor tariflerini geliştirmek için büyük çok modlu modellere geri döndüler.

Araştırmacılar bu "yardımcıyı" insan araştırmacıların yerine değil, "yerine" kullandılars," 900'den fazla kimyayı keşfetmek ve 3,500 elektrokimyasal test gerçekleştirmek bu yol açtı Yakıt hücresinde elektrik üretmek için rekor güç yoğunluğu sağlayan bir katalizör malzemesinin keşfine.

Malzeme Bilimi İlerlemelerine Yatırım Yapmak

Malzeme bilimi dünyasında, ATI A.Ş. (ATI ) Teknik açıdan gelişmiş özel malzemeleri ve karmaşık bileşenleriyle tanınan şirket, havacılık, savunma, tıp, elektronik ve enerji sektörlerine yönelik yüksek performanslı malzemeler üretmektedir.

ATI'nin ürünleri nikel bazlı alaşımlar ve süper alaşımlar, titanyum ve titanyum bazlı alaşımlar ile özel alaşımlardan üretilmektedir. Şirket iki segmentte faaliyet göstermektedir:

• Yüksek Performanslı Malzemeler ve Bileşenler (HPMC)
• Gelişmiş Alaşımlar ve Çözümler (AA&S)

13.5 milyar dolarlık piyasa değeriyle ATI hisseleri, bu yıl %80.5 artışla 99.37 dolardan işlem görüyor. Hisse başına kazanç (HK) 3.10 ve fiyat/kazanç (P/K) 32.09'dur. Şirket, %0.32 temettü getirisi sağlamaktadır.