Işığı Kontrol Etmenin Yeni Bir Yolu, Daha Hızlı Gelecek Bilgisayarları İçin

Bilim insanları, fotonik bilişim için kapsamlı ışık engelleme işlevi sunabilen yeni bir metamaterial türü yarattılar.

Metamaterial, özelliklerinin temel bileşenlerinin kimyasal bileşiminden değil, dikkatlice tasarlanmış iç yapısından kaynaklanan mühendislik ürünü bir malzemedir. Bu nedenle, bu malzemeler doğal olarak bulunan malzemelerde bulunmayan alışılmadık özellikler sergileyebilir.

Bu malzemeler genellikle metal ve plastik gibi birden fazla malzemenin bir araya gelmesiyle oluşur ve tekrarlayan, dalga boyundan daha küçük yapılar halinde düzenlenir. Şekil, boyut, geometri, yönelim ve düzenlemeleri onlara özellik kazandırır; böylece elektromanyetik, akustik veya sismik dalgaları absorbe ederek, bükerek, güçlendirerek veya engelleyerek geleneksel malzemelerle mümkün olmayan faydalar sağlar.

New York Üniversitesi’ndeki bilim insanları tarafından yeni mühendislik metamateriali¹, genellikle sıvılar ve kristallerle ilişkilendirilen özellikleri birleştirir, ancak gelen ışığı tüm açılardan engelleme yeteneğinde ikisini de aşar.

Gyromorphs olarak adlandırılan, işlevsel olarak ilişkili düzensiz malzemelerin yeni sınıfı, sıvı benzeri rastgeleliği büyük ölçekli yapısal desenlerle birleştirerek ışığı her yönden engeller. Çalışma şöyle belirtti:

Spektral optimizasyon yöntemleriyle 2B ve 3B gyromorphs oluşturuyoruz, güçlü ayrık dönme düzeni gösterdiklerini ancak uzun menzilli translasyonel düzeni olmadığını doğruluyoruz; aynı zamanda yeterince büyük 퐺 için kısa menzilde dönme izotropisini koruyorlar.

Bu yenilikle, araştırmacılar uzun süredir bilim insanlarını rahatsız eden kuazikristal tabanlı tasarımlardaki sınırlamaları çözdüler. Ayrıca fotonik bilişimde ilerlemeyi teşvik edebilir.

Kuaazikristallerden Gyromorphs’a Fotonik Bilişimde

Fotonik bilişimde, hesaplamalar için elektrik akımları yerine fotonlar kullanılır. Gerçekleştiğinde, bu yeni nesil bilgisayarlar geleneksel makinelerden çok daha verimli ve hızlı olabilir.

Işık hızında veri işleme, yapay zeka gibi yüksek performanslı görevler için vaat sunar, ancak teknoloji şu anda küçültülme ve maliyet konularında zorluklarla karşı karşıyadır.

Alandaki ilerlemeler, yüksek performanslı bilgi işlem sunucularına entegrasyon için işlevsel fotonik çiplerin geliştirilmesine yol açtı. Ancak ışık tabanlı bilişim hâlâ erken aşamada; araştırmacılar çip içinde seyahat eden mikroskobik ışık akışlarını kontrol etmekte zorlanıyor.

Bu küçük optik sinyalleri güçlerini kaybetmeden yeniden yönlendirmek için özenle tasarlanmış malzemelere ihtiyacımız var. Bu sinyalleri güçlü tutmak, donanımda yön dışı ışığın herhangi bir yönden girmesini önleyen özel, hafif bir madde gerektirir.

Bunu başarmanın kritik bir bileşeni izotropik bant boşluğu malzemesini dahil etmektir. Bu malzeme, frekansları bant boşluğu içinde olduğu sürece ışığı veya diğer dalgaları tüm yönlerde yayılmasını engeller. Böyle bir malzeme düzensiz ancak hiperuniform olabilir; yani uzun menzilli translasyonel düzeni yoktur ancak belirli, kontrol edilen bir rastgelelik türüne sahiptir.

İzotropik bant boşluğu malzemeleri mühendisliği yaparken, araştırmacılar uzun süredir kuazikristallere odaklanmıştır.

Matematiksel kurallara uyan ancak geleneksel kristaller gibi tekrarlamayan bu yapılar, 1980’lerin başında bilim insanı Dan Shechtman tarafından keşfedildi; bu keşfi için 2011’de Kimya Nobel Ödülü’nü kazandı.

Keşif, alüminyum ve manganez araştırılırken yapıldı. İki metal eriyip hızlıca soğutularak alaşım oluşturulduğunda, elektron mikroskobunda on katlı simetri gösterdiler; bu özellik metal gibi kristal yapıların içinde görülmez.

Kuazikristaller, elmas gibi kristal yapıların özelliklerine sahiptir; yani desenlere göre düzenlenirler, aynı zamanda cam gibi amorf yapılar gibi desenleri tekrarlamazlar. Bu benzersiz özellikleri kuazikristalleri hem dayanıklı hem kırılgan kılar.

Bu yılın başlarında Michigan Üniversitesi’nden bir çalışmada, araştırmacılar kuazikristallerin düzensiz katı maddelerle benzerlik gösterse de temelde kararlı malzemeler olduğunu buldular.

“İstediğimiz özelliklere sahip malzemeler tasarlamak istiyorsak atomları belirli yapılar halinde nasıl düzenleyeceğimizi bilmemiz gerekir,” diye çalışmanın ortak yazarı, Dow Erken Kariyer Yardımcı Profesörü Malzeme Bilimi ve Mühendisliği olan Wenhao Sun belirtti. “Kuazikristaller, belirli malzemelerin nasıl ve neden oluşabileceğini yeniden düşünmemize zorladı.”

Kuazikristallerin neden var olduğunu ya da nasıl oluştuğunu açıklamak için, araştırmacıların önce onları kararlı kılan şeyi anlamaları gerekti. Bunun için kuazikristallerin entalpi ya da entropiyle mi kararlı olduğunu belirlemeleri gerekti; bu yüzden araştırmacılar büyük bir simüle edilmiş kuazikristal bloğundan daha küçük nanopartiküller alıp, her bir nanopartikülün toplam enerjisini hesapladılar.

Araştırmacılar, iyi incelenmiş kuazikristaller olan skandiyum ve çinko alaşımı ile ytterbiyum ve kadmiyum alaşımının her ikisinin de entalpiyle kararlı olduğunu keşfettiler.

Hesaplama için ekip, kuazikristallerin kuantum-mekaniksel simülasyonlarını kullandı ve bilgi işlem darboğazını çözmek için tüm bilgisayar işlemcileri yerine yalnızca komşu işlemcilerin iletişim kurmasını sağladı; bu sayede algoritmaları 100 kata kadar daha hızlı oldu.

Artık cam ve amorf malzemeleri, farklı kristaller arasındaki ara yüzleri ve kuantum bilgisayar bitlerini etkinleştirebilecek kristal kusurlarını simüle edebiliyoruz.

– Vikram Gavini, Michigan Üniversitesi mekanik mühendisliği ve malzeme bilimi ve mühendisliği profesörü

Başka bir araştırmada, Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü (NIST) bilim insanları, 3B metal baskının aşırı koşulları altında oluşan yeni bir alüminyum-çirkonyum alaşımında kuazikristaller buldular.

Alüminyum tozuna çirkonyum eklemek, yüksek mukavemetli alüminyum alaşımları basımını mümkün kılar, ancak NIST ekibi bu metalin neden bu kadar güçlü olduğunu anlamak istedi; böylece askeri uçak parçaları gibi kritik bileşenlerde kullanılabilir.

Ve kuazikristallerin bunun sorumlusu olduğunu buldular. Alüminyum kristallerinin düzenli desenini bozmak alaşımı güçlendirir. Doğru açıdan bakıldığında, ekip iki farklı açıdan beş katlı (çok nadir) dönme simetrisini, ayrıca iki katlı ve üç katlı simetrileri tespit etti.

Bu, NIST fizikçisi ve ortak yazar Fan Zhang’a göre, “alaşım tasarımında yeni bir yaklaşım açacak. Araştırma, kuazikristallerin alüminyumu güçlendirebileceğini gösterdiği için, gelecekteki alaşımlarda bunları kasıtlı olarak yaratmaya çalışabilirler,” diye ekledi.

Gyromorph Devriminin İçinde: İzotropik Bant Boşluğu Malzemeleri

Kuazikristaller büyük bir vaat taşıyor. Işığı tamamen engelleme yetenekleri bile var. Ancak sadece sınırlı yönlerden. Tüm yönlerden ışığı zayıflatabilirler, ancak tamamen durduramazlar.

Bu sınırlamayı aşmak için, bilim insanları sinyalleri bozan ışığı daha etkili engelleyecek alternatifler arıyor. Bu, gyromorphs’un geliştirilmesine yol açtı; bu malzemeler yön dışı ışığın herhangi bir yönden girmesini daha etkili engelleyebilir. Çalışmanın kıdemli yazarı, fizik, kimya, matematik ve sinir bilimi yardımcı doçentiği yapan Stefano Martiniani’ye göre:

Gyromorphs, benzersiz yapıları sayesinde mevcut yaklaşımlarla mümkün olandan daha iyi izotropik bant boşluğu malzemeleri ortaya çıkaran, bilinen hiçbir yapıya benzemiyor.

Bununla birlikte, bu malzemelerin özellikleri mimarilerine bağlı olduğu için, istenen fiziksel özellikleri elde etmek üzere gereken düzenleme büyük bir engel teşkil ediyor.

Physical Review Letters’ta yayımlanan, New York Üniversitesi araştırmacıları optik davranışı ayarlamak için yeni bir strateji detaylandırıyor.

Ekip, yerleşik düzensizlikle işlevsel yapılar üretebilen bir algoritma geliştirdi. Ekip tarafından ortaya konan yeni “ilişkili düzensizlik” biçimi, tamamen düzenli ve tamamen rastgele iki uç arasında yer alıyor.

Bir ormandaki ağaçları düşünün – rastgele konumlarda büyürler, ancak tamamen rastgele değildirler çünkü genellikle birbirlerinden belli bir mesafededirler. Bu yeni desen, gyromorphs, birbirine uyumsuz olduğunu düşündüğümüz özellikleri birleştirir ve kuazikristaller dahil tüm düzenli alternatiflerden daha üstün bir işlev sergiler.

– Martiniani

Araştırmaları sırasında ekip, tüm izotropik bant boşluğu malzemelerinin aynı yapısal imzayı gösterdiğini gözlemledi. Bu yüzden bunu “olabildiğince belirgin” yapmaya odaklandılar ve gyromorphs’un yaratılmasına yol açtı.

Ortaya çıkan yeni malzeme sınıfının baş yazarı, NYU Fizik Bölümü’nde doktora sonrası araştırmacı Mathias Casiulis, “görünüşte uyumsuz özellikleri uzlaştırmak” gerektiğini belirtti; çünkü kristal benzeri, sabit, tekrarlayan bir yapıları yoktur ve bu onlara sıvı benzeri bir düzensizlik verir. Aynı zamanda, uzaktan bakıldığında düzenli desenler oluştururlar.

Bu özellikler, ışık dalgalarının herhangi bir yönden geçemeyeceği bant boşlukları oluşturmak için birlikte çalışır.

– Casiulis 

Ekip ayrıca, çeşitli uzunluk ölçeklerinde birden çok dönme simetrisine sahip “polygyromorphs” tanıttı; bu, tek bir yapıda birden fazla bant boşluğunun oluşmasını sağlayarak optik özellikler üzerinde ince kontrol elde etme kapılarını açıyor.
Swipe to scroll →

AI ve Keşifte Nesil Kuantum Malzemeleri

Araştırmacılar nesil kuantum malzemelerinde daha derinlere ilerledikçe, tamamen yeni malzeme sınıfları ortaya çıkıyor.

Yakın zamanda, Enerji Bakanlığı’na bağlı Berkeley Laboratuvarı’ndan bir araştırma ekibi keşfi rapor etti⁵ \”berkelocene\” adlı, sentetik, ağır, radyoaktif kimyasal element berkelium içeren bir organometalik molekülün keşfini.

Moleküller, bir metal iyonunun karbon temelli bir çerçeveyle çevrildiği yapıya sahiptir ve erken aktinid elementler için nispeten yaygın olsa da, daha sonraki elementlerde nadiren bilinir.

\”Berkeleyum ve karbon arasında kimyasal bağ oluşumuna dair kanıtların ilk kez elde edilmesidir. Bu keşif, berkeleyum ve diğer aktinidlerin periyodik tablodaki akranlarına göre nasıl davrandığına dair yeni bir anlayış sunuyor,\” diye ortak yazar Stefan Minasian, Berkeley Laboratuvarı Kimya Bilimleri Bölümü’nden açıklama yaptı.

Aktinidler, periyodik tablonun f-blokunda yer alan 15 radyoaktif metal elementten oluşan bir seridir. Uranyum ve plütonyum aktinid örnekleridir. Radyoaktif özellikleriyle bilinirler ve nükleer reaktörlerde ve diğer teknolojilerde kullanılırlar.

Geçen yıl, İsveç’teki Uppsala Üniversitesi ve ABD’deki Columbia Üniversitesi araştırmacıları arasındaki iş birliği, cerium, silikon ve iyot içeren bir kristal yapıya sahip CeSiI adlı 2B kuantum malzemenin keşfine yol açtı. Kristal yapısı, ayrı, atom ince katmanların iki boyutlu bir düzenlemesine benzer.

CeSiI’nin elektronları, sıradan malzemelere göre etkili kütlesi 100 kat daha büyük ağır fermiyonlar gibi davranır. Bu etkili kütle anisotropiktir; yani elektronların atomik katmanlarda hareket ettiği yöne bağlıdır.

Bu keşif sayesinde, artık ilişkili elektron yapılarını incelemek için önemli ölçüde geliştirilmiş bir malzeme platformuna sahibiz. 2B malzemeler, LEGO parçalarıyla bir inşa seti gibidir. Ortaklarımız, diğer 2B malzemelerden katmanlar ekleyerek özelleştirilmiş kuantum özelliklerine sahip yeni bir malzeme oluşturmak için zaten çalışıyor.

– Uppsala Fizik ve Astronomi Bölümü’nden Chin Shen Ong

Malzeme biliminde sayısız olasılık vardır ve doğru malzemeyi seçmek yeni keşifler yapmanın temel engelidir. Teori odaklı tahminler ve deney temelli doğrulamalar seçim konusunda yardımcı olsa da, süreç hâlâ parçalı kalmıştır.

Burada, yapay zeka destekli malzeme bilgi işlemciliği devreye giriyor; kuantum ölçeğindeki içgörüleri büyük veri setleriyle birleştirerek, geleneksel deneme-yanılma yoluyla keşfedilemeyecek yeni malzemeleri hızlıca tarıyor, modelliyor ve optimize ediyor.

Tohoku Üniversitesi’ndeki bir araştırmacı ekibi yapay zeka tabanlı bir malzeme haritası oluşturdu tüm deneysel verileri temsilci birinci prensip hesaplamalarıyla birleştiren bir harita. Bu harita, araştırmacıların belirli bir durum için doğru malzemeyi bulmalarına yardımcı olmayı amaçlıyor.

Harita, yapısal benzerlik ve termoelektrik performans (zT) eksenlerine sahip büyük bir grafiktir; her veri noktası bir malzemeyi temsil eder. Benzer malzemeler burada yakın konumlarda görünür. Bu malzemeler genellikle benzer yöntem ve cihazlarla sentezlenip değerlendirilir; harita, deneycilerin bilinmeyen yüksek performanslı malzemelerin benzerlerini hızla tespit etmelerini ve mevcut sentez protokollerini sonraki adım olarak yeniden kullanmalarını sağlar.

Bu şekilde, araç geliştirme maliyetlerini azaltmaya ve yeniliği hızlandırmaya, gerçek dünyada uygulanmasını desteklemeye yardımcı olabilir. Gelecekte ekip, çerçevelerini termoelektrik dışına genişleterek topolojik ve manyetik malzemeleri de dahil etmeyi ve ek tanımlayıcılar ekleyerek kapsamlı, yapay zeka destekli bir malzeme tasarım destek platformu oluşturmayı planlıyor.

Birçok aday üzerinde sezgisel, kuşbakışı bir bakış sunarak, harita araştırmacıların umut vaat eden hedefleri bir bakışta seçmelerine yardımcı olur; bu nedenle, yeni işlevsel malzemeler için geliştirme zaman çizelgelerini önemli ölçüde kısaltması bekleniyor.

– Doçent Yusuke Hashimoto

Bu arada, Göteborg Üniversitesi’nden bir çalışma, dokuma kompozit malzemelerin dayanıklılık ve mukavemetini verimli bir şekilde belirlemek için bir yapay zeka modeli geliştirdi.
dayanıklılık ve mukavemeti verimli bir şekilde belirlemek

Yeni yüksek kaliteli kompozit malzemeler tasarlamak için fiziksel testler ve ayrıntılı bilgisayar simülasyonları yapmak, “özellikle kompozit, dokuma tekstil lif malzemesi olarak oluşturulduğunda, lifler birbirine sarılır ve malzemenin maruz kaldığı kuvvetlere bağlı olarak farklı davranır,” diye Göteborg Üniversitesi Fizik Bölümü’nden doktora öğrencisi Ehsan Ghane belirtti.

Bilgisayarlar zaten bir malzemenin etkileşimleri ve etkileri temelinde gerçekçi mikro yapıların simülasyonunu yapabiliyor olsa da, dokuma kompozit malzemeler hâlâ büyük ölçüde bilgi işlem kaynakları gerektiriyor. Sinir ağları bir alternatif sunar, ancak büyük miktarda eğitim verisi gerektirir ve genelleme yapmakta zorlanır; bu yüzden ekip, çok fazla veri gerektirmeyen genelleştirilmiş bir yapay zeka modeli geliştirdi.

Model, kompozitin bileşen malzemeleri için mevcut simülasyon ve test verileriyle eğitildi; bu sayede yeni kompozitin dayanıklılığını tahmin edebiliyor.

Gothenburg çalışması, malzeme yasalarını yapay zeka modeline entegre etme yöntemlerini incelerken, KAIST’ten bir araştırmacı ekibi, veriler gürültülü ya da sınırlı olduğunda bile yeni malzemelerin hızlı keşfine olanak tanımak için fizik yasalarını yapay zeka modeliyle birleştirdi.

Özellik tanımlaması, yeni malzemeler geliştirmede ana adımlardan biridir, ancak büyük miktarda deneysel veri ve pahalı ekipman gerektirir; bu da araştırma verimliliğini sınırlar. KAIST ekibi, malzemelerin ve enerjinin deformasyon ve etkileşim yasalarını entegre ederek bu ihtiyacı aştı.

fiziksel olarak bilgilendirilmiş bir sinir ağı (PINN) tekniği rapor etti⁹ tek bir deneyden çok az veri kullanarak malzeme özelliklerini ve deformasyon davranışını tespit etmek için. Daha sonra, fizik yasalarını anlayan ve görülmemiş malzemelere genelleme yapabilen bir yapay zeka modeli, Fiziksel Bilgilendirilmiş Sinir Operatörü (PINO) tanıttılar.

MIT araştırmacıları, literatür, kimyasal bileşimler, mikro yapısal görüntüler ve daha fazlasından gelen bilgileri birleştiren bir birden çok kaynaktan bilgi içeren yöntem geliştirerek bunu daha da ileri taşıdı.

Bu, Gerçek Dünya Deneysel Bilimcileri (CRESt) için yeni Copilot platformunun bir parçasıdır. Yöntemleri, malzemelerin yüksek verimli test edilmesini sağlayan robotik ekipman kullanır ve ardından sonuçları büyük çok modlu modellere geri besleyerek tariflerini iyileştirir.

Araştırmacılar, bu “insan araştırmacıların yerine geçmeyen bir asistan”ı kullanarak 900’den fazla kimyasal kombinasyonu inceledi ve 3.500 elektrokimyasal test gerçekleştirdi; bu testler, bir yakıt hücresinde rekor güç yoğunluğu sağlayan bir katalizör malzemesinin keşfine yol açtı.

Malzeme Bilimi İlerlemesine Yatırım

Malzeme bilimi dünyasında, ATI Inc. (ATI ) teknik olarak gelişmiş özel malzemeleri ve karmaşık bileşenleriyle tanınır. Şirket, havacılık, savunma, tıp, elektronik ve enerji pazarları için yüksek performanslı malzemeler üretir.

ATI’nin ürünleri nikel bazlı alaşımlar ve süperalaşımlar, titanyum ve titanyum bazlı alaşımlar ve özel alaşımlardan üretilir. Şirket iki segment üzerinden faaliyet gösterir:

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

13,5 milyar dolarlık piyasa değerine sahip ATI hisseleri bu yıl %80,5 artışla 99,37 $ seviyesinde işlem görüyor. EPS (TTM) 3,10 ve P/E (TTM) 32,09. Şirket %0,32 temettü getirisi ödemektedir.