麻省理工學(xué)院 | 磁分類的任務(wù)突然看起來容易多了
指南者留學(xué)
2022-11-29 10:24:48
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<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——以及這些設(shè)施的可用時(shí)間——受到嚴(yán)重限制。</p>
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<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>
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<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——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)——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。“這可能是一種更快、更便宜的方法,”Smidt說。</p>
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<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——海倫娜·默克、哈里·海伯格和林恩·阮——加上一位博士生劉彤彤。</p>
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<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“等變歐幾里德神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”。Smidt解釋說,這種網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)是,“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。”該功能在檢查3D材料時(shí)特別有用。</p>
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<p><span class="h1"><strong>結(jié)構(gòu)的要素</strong></span></p>
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<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>
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<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,“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。”在反鐵磁材料中,原子的磁矩指向與相鄰原子相反的方向——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>
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<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——構(gòu)成單個(gè)“磚塊”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“傳播”,材料就會(huì)得到一個(gè)非零的傳播值。</p>
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<p><span class="h1"><strong>網(wǎng)絡(luò)解決方案</strong></span></p>
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<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“權(quán)重”被反復(fù)微調(diào)。</p>
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<p>“權(quán)重就像等式y(tǒng) = mx + b中的系數(shù)m,”海伯格解釋道。“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。”</p>
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<p>接下來是測試階段。“權(quán)重保持原樣,”海伯格說,“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。”</p>
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<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>
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<p><span class="h1"><strong>規(guī)劃前方的道路</strong></span></p>
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<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:“我們的策略是取盡可能大的單細(xì)胞——盡可能大的樣本——并試圖將其近似為某種無序的晶體。”</p>
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<p>作者寫道,目前的工作代表著“解決全磁結(jié)構(gòu)確定的巨大挑戰(zhàn)”的一步。在這種情況下,“完整的結(jié)構(gòu)”意味著確定“每個(gè)原子的特定磁矩,而不是磁性順序的整體模式,”Smidt解釋道。</p>
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<p>Smidt補(bǔ)充道:“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。”</p>
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<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:“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。”</p>
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<p>“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。”“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)。”</p>
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<p>“這真的是一次改變?nèi)松慕?jīng)歷,”Nguyen贊同道。“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。”</p>
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<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>
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