<p><img src="https://info.compassedu.hk/sucai/content/1669688829425/1669688829425.jpg" width="808" height="539" /></p> <p>了解晶體材料的磁性結(jié)構(gòu)對許多應(yīng)用都至關(guān)重要，包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、高分辨率成像、自旋電子學(xué)、超導(dǎo)和量子計(jì)算。然而，這類信息很難得到。盡管可以從中子衍射和散射研究中獲得磁性結(jié)構(gòu)，但支持這些分析的機(jī)器的數(shù)量&mdash;&mdash;以及這些設(shè)施的可用時(shí)間&mdash;&mdash;受到嚴(yán)重限制。</p> <p>&nbsp;</p> <p>因此，迄今為止，只有大約1500種通過實(shí)驗(yàn)得出的材料的磁性結(jié)構(gòu)被制成了表格。研究人員也通過數(shù)值方法預(yù)測了磁性結(jié)構(gòu)，但即使是在最先進(jìn)的大型超級計(jì)算機(jī)上，也需要冗長的計(jì)算。此外，隨著晶體結(jié)構(gòu)尺寸的增大，對功率的需求呈指數(shù)級增長，這些計(jì)算變得越來越昂貴。</p> <p>&nbsp;</p> <p>現(xiàn)在，麻省理工學(xué)院、哈佛大學(xué)和克萊姆森大學(xué)的研究人員&mdash;&mdash;由麻省理工學(xué)院核科學(xué)與工程助理教授Mingda Li和麻省理工學(xué)院電氣工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)助理教授Tess Smidt領(lǐng)導(dǎo)&mdash;&mdash;找到了一種通過使用機(jī)器學(xué)習(xí)工具來簡化這一過程的方法。&ldquo;這可能是一種更快、更便宜的方法，&rdquo;Smidt說。</p> <p>&nbsp;</p> <p>該團(tuán)隊(duì)的研究結(jié)果最近發(fā)表在《iScience》雜志上。這篇論文的一個(gè)不同尋常之處，除了它的新發(fā)現(xiàn)之外，是它的第一作者是三位麻省理工學(xué)院的本科生&mdash;&mdash;海倫娜&middot;默克、哈里&middot;海伯格和林恩&middot;阮&mdash;&mdash;加上一位博士生劉彤彤。</p> <p>&nbsp;</p> <p>Merker、Heiberger和Nguyen在2020年秋季作為一年級新生加入了這個(gè)項(xiàng)目，他們面臨著一個(gè)相當(dāng)大的挑戰(zhàn):設(shè)計(jì)一個(gè)可以預(yù)測晶體材料磁性結(jié)構(gòu)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。然而，他們并不是從零開始，而是利用Smidt在2018年與他人共同發(fā)明的&ldquo;等變歐幾里德神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)&rdquo;。Smidt解釋說，這種網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)是，&ldquo;如果晶體旋轉(zhuǎn)或平移，我們不會(huì)得到不同的磁序預(yù)測，我們知道這不會(huì)影響其磁性。&rdquo;該功能在檢查3D材料時(shí)特別有用。</p> <p>&nbsp;</p> <p><span class="h1"><strong>結(jié)構(gòu)的要素</strong></span></p> <p>&nbsp;</p> <p>麻省理工學(xué)院的研究小組利用了勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室材料項(xiàng)目編制的近15萬種物質(zhì)的數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫提供了有關(guān)原子在晶格中的排列的信息。該團(tuán)隊(duì)利用這些輸入來評估給定材料的兩個(gè)關(guān)鍵特性:磁順序和磁傳播。</p> <p>&nbsp;</p> <p>弄清磁性順序需要將材料分為三類:鐵磁性、反鐵磁性和非磁性。鐵磁性材料中的原子就像小磁鐵一樣，有自己的北極和南極。每個(gè)原子都有一個(gè)磁矩，從它的南極指向北極。劉先生解釋說，在鐵磁性材料中，&ldquo;所有原子都以相同的方向排列，也就是所有原子產(chǎn)生的磁場的方向。&rdquo;在反鐵磁材料中，原子的磁矩指向與相鄰原子相反的方向&mdash;&mdash;以有序的模式相互抵消，整體產(chǎn)生零磁化。在非磁性材料中，所有的原子都可能是無磁性的，沒有任何磁矩?；蛘卟牧峡梢园判栽?，但是它們的磁矩指向隨機(jī)的方向，所以最終的結(jié)果，還是零磁性。</p> <p>&nbsp;</p> <p>磁傳播的概念與材料磁結(jié)構(gòu)的周期性有關(guān)。如果你把晶體想象成磚塊的三維排列，那么單位細(xì)胞就是最小的積木&mdash;&mdash;構(gòu)成單個(gè)&ldquo;磚塊&rdquo;的原子的最小數(shù)量和構(gòu)型。如果每個(gè)單元細(xì)胞的磁矩都是對齊的，麻省理工學(xué)院的研究人員就會(huì)賦予這種材料一個(gè)零的傳播值。然而，如果磁矩改變方向，因此在從一個(gè)細(xì)胞移動(dòng)到下一個(gè)細(xì)胞的過程中&ldquo;傳播&rdquo;，材料就會(huì)得到一個(gè)非零的傳播值。</p> <p>&nbsp;</p> <p><span class="h1"><strong>網(wǎng)絡(luò)解決方案</strong></span></p> <p>&nbsp;</p> <p>目標(biāo)就講到這里。機(jī)器學(xué)習(xí)工具如何幫助實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)?學(xué)生們的第一步是使用材料項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫的一部分來訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，以找到材料的晶體結(jié)構(gòu)和磁性結(jié)構(gòu)之間的相關(guān)性。通過有根據(jù)的猜測和試錯(cuò)，學(xué)生們還了解到，當(dāng)他們不僅包括原子的晶格位置信息，還包括原子量、原子半徑、電負(fù)性(反映原子吸引電子的傾向)和偶極極化率(表明電子與原子核的距離)時(shí)，他們得到了最好的結(jié)果。在訓(xùn)練過程中，大量所謂的&ldquo;權(quán)重&rdquo;被反復(fù)微調(diào)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;權(quán)重就像等式y(tǒng) = mx + b中的系數(shù)m，&rdquo;海伯格解釋道。&ldquo;當(dāng)然，我們使用的實(shí)際方程或算法要復(fù)雜得多，不僅只有一個(gè)系數(shù)，可能有100個(gè);在本例中，X是輸入數(shù)據(jù)，您選擇m是為了使y得到最準(zhǔn)確的預(yù)測。有時(shí)你不得不改變方程本身，以獲得更好的契合度。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>接下來是測試階段。&ldquo;權(quán)重保持原樣，&rdquo;海伯格說，&ldquo;你將得到的預(yù)測與之前建立的值(也可以在材料項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫中找到)進(jìn)行比較。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>據(jù)《iScience》雜志報(bào)道，該模型在預(yù)測磁場順序和傳播方面的平均準(zhǔn)確率分別約為78%和74%。即使材料中含有磁性原子，預(yù)測非磁性材料順序的準(zhǔn)確性也達(dá)到91%。</p> <p>&nbsp;</p> <p><span class="h1"><strong>規(guī)劃前方的道路</strong></span></p> <p>&nbsp;</p> <p>麻省理工學(xué)院的研究人員認(rèn)為，這種方法可以應(yīng)用于原子結(jié)構(gòu)難以辨別的大分子，甚至可以應(yīng)用于缺乏晶體結(jié)構(gòu)的合金。Smidt說:&ldquo;我們的策略是取盡可能大的單細(xì)胞&mdash;&mdash;盡可能大的樣本&mdash;&mdash;并試圖將其近似為某種無序的晶體。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>作者寫道，目前的工作代表著&ldquo;解決全磁結(jié)構(gòu)確定的巨大挑戰(zhàn)&rdquo;的一步。在這種情況下，&ldquo;完整的結(jié)構(gòu)&rdquo;意味著確定&ldquo;每個(gè)原子的特定磁矩，而不是磁性順序的整體模式，&rdquo;Smidt解釋道。</p> <p>&nbsp;</p> <p>Smidt補(bǔ)充道:&ldquo;盡管還有一些棘手的細(xì)節(jié)需要解決，但我們已經(jīng)做好了應(yīng)對這個(gè)問題的準(zhǔn)備。這是一個(gè)面向未來的項(xiàng)目，但似乎是可以實(shí)現(xiàn)的。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>本科生們將不會(huì)參與這項(xiàng)工作，因?yàn)樗麄円呀?jīng)完成了這項(xiàng)工作。不過，他們都很欣賞這次研究經(jīng)歷。默克說:&ldquo;能在課堂之外進(jìn)行一個(gè)項(xiàng)目真是太棒了，它給了我們機(jī)會(huì)去創(chuàng)造一些以前不存在的令人興奮的東西。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;這項(xiàng)研究完全由本科生領(lǐng)導(dǎo)，從2020年開始，當(dāng)時(shí)他們是一年級學(xué)生。在ELO(體驗(yàn)學(xué)習(xí)機(jī)會(huì))項(xiàng)目的支持下，以及后來博士生劉彤彤(音譯)的指導(dǎo)下，我們能夠?qū)⑺麄兙奂谝黄穑词贡舜讼嗑噙b遠(yuǎn)。這項(xiàng)工作展示了我們?nèi)绾螌⒌谝荒甑膶W(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)擴(kuò)展到一個(gè)真正的研究產(chǎn)品中。&rdquo;&ldquo;能夠支持這種合作和學(xué)習(xí)體驗(yàn)是每個(gè)教育工作者的奮斗目標(biāo)。很高興看到他們的辛勤工作和奉獻(xiàn)為該領(lǐng)域做出了貢獻(xiàn)。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;這真的是一次改變?nèi)松慕?jīng)歷，&rdquo;Nguyen贊同道。&ldquo;我覺得把計(jì)算機(jī)科學(xué)和物質(zhì)世界結(jié)合起來會(huì)很有趣。事實(shí)證明，這是一個(gè)相當(dāng)不錯(cuò)的選擇。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <blockquote> <p>注：本文由院校官方新聞直譯，僅供參考，不代表指南者留學(xué)態(tài)度觀點(diǎn)。</p> </blockquote>