Nowe metody symulacji pozwalają uzyskać wgląd w jądro Ziemi i obiecują postęp w obliczeniach neuromorficznych sztuczna inteligencja.
Jak Ziemia wytwarza swoje pole magnetyczne? Choć naukowcy rozumieją podstawowy proces odpowiadający za powstawanie ziemskiego pola magnetycznego, wiele szczegółów pozostaje niejasnych. Zespół badaczy z Center for Advanced Systems Understanding (CASUS) przy ul Helmholtz-Zentrum Drezno-Rossendorf (HZDR), Sandia National Laboratories w USA oraz francuska Komisja ds. Energii Alternatywnych i Energii Atomowej (CEA) opracowały przełomową metodę symulacji umożliwiającą dokładniejsze badanie jądra Ziemi.
Metoda ta modeluje nie tylko zachowanie atomów, ale także właściwości magnetyczne materiałów w ekstremalnych warunkach. Ich podejście może znacznie przyspieszyć badania w dziedzinie geofizyki, torując jednocześnie drogę innowacjom technologicznym, takim jak obliczenia neuromorficzne – najnowocześniejsza dziedzina mająca na celu tworzenie bardziej energooszczędnych systemów sztucznej inteligencji.
Ustalenia zespołu opublikowano w czasopiśmie 12 grudnia PNAS.
Tarcza magnetyczna Ziemi: jak to działa i czego wciąż nie wiemy
Ziemskie pole magnetyczne jest niezbędne do życia, chroniąc planetę przed szkodliwym promieniowaniem kosmicznym i wiatrami słonecznymi. Tarcza ta zasilana jest efektem geodynama, napędzanym ruchem stopionego żelaza w jądrze Ziemi.
„Wiemy, że jądro Ziemi składa się głównie z żelaza” – wyjaśnia Attila Cangi, kierownik działu uczenia maszynowego w zakresie projektowania materiałów w CASUS. „W miarę zbliżania się do jądra Ziemi wzrasta zarówno temperatura, jak i ciśnienie. Wzrost temperatury powoduje topienie materiałów, natomiast wzrost ciśnienia utrzymuje je w stanie stałym. Ze względu na specyficzne warunki temperatury i ciśnienia panujące wewnątrz Ziemi, jądro zewnętrzne znajduje się w stanie stopionym, podczas gdy jądro wewnętrzne pozostaje stałe.”
Naładowane elektrycznie ciekłe żelazo przepływa wokół wewnętrznego jądra w wyniku rotacji Ziemi i prądów konwekcyjnych, generuje prądy elektryczne, tworząc pole magnetyczne otaczające planetę.
Pomimo tego podstawowego zrozumienia wiele szczegółów pozostaje nierozwiązanych. Naukowcy wciąż badają dokładną strukturę jądra Ziemi i rolę pierwiastków poza żelazem, które mogą wpływać na efekt geodynama. Eksperymenty sejsmiczne dostarczają wskazówek: badacze wysyłają fale uderzeniowe przez Ziemię i mierzą echa za pomocą czułych czujników.
„Te eksperymenty sugerują, że rdzeń zawiera coś więcej niż tylko żelazo” – mówi Svetoslav Nikolov z Sandia National Laboratories, główny autor badania. „Pomiary nie zgadzają się z symulacjami komputerowymi, które zakładają rdzeń z czystego żelaza”.
Symulacja fal uderzeniowych na komputerze
Zespół badawczy osiągnął znaczny postęp, opracowując i testując nową metodę symulacji. Kluczowa innowacja metody zwanej dynamiką spinu molekularnego polega na integracji dwóch wcześniej odrębnych podejść symulacyjnych: dynamiki molekularnej, która modeluje ruch atomów, i dynamiki spinu, która uwzględnia właściwości magnetyczne.
„Łącząc te dwie metody, byliśmy w stanie zbadać wpływ magnetyzmu w warunkach wysokiego ciśnienia i wysokiej temperatury na nieosiągalne wcześniej skale długości i czasu” – podkreśla fizyk z CEA Julien Tranchida.
W szczególności zespół przeprowadził symulację zachowania dwóch milionów atomów żelaza i ich spinów, aby przeanalizować dynamiczną zależność między właściwościami mechanicznymi i magnetycznymi. Naukowcy wykorzystali także sztuczną inteligencję (AI), wykorzystując m.in uczenie maszynowe w celu określenia pól siłowych – interakcji między atomami – z dużą precyzją. Opracowywanie i szkolenie tych modeli wymagało zasobów obliczeniowych o wysokiej wydajności.
Gdy modele były już gotowe, badacze przeprowadzili rzeczywiste symulacje: cyfrowy model dwóch milionów atomów żelaza, reprezentatywnych dla jądra Ziemi, poddano warunkom temperatury i ciśnienia panującym we wnętrzu Ziemi. Dokonano tego poprzez propagację fal ciśnienia przez atomy żelaza, symulując ich nagrzewanie i ściskanie. Kiedy prędkość tych fal uderzeniowych była mniejsza, żelazo pozostawało stałe i przyjmowało różne struktury krystaliczne. Kiedy fale uderzeniowe były szybsze, żelazo stało się w większości płynne. W szczególności naukowcy odkryli, że efekty magnetyczne znacząco wpływają na właściwości materiału.
„Nasze symulacje dobrze zgadzają się z danymi eksperymentalnymi” – mówi Mitchell Wood, materiałoznawca w Sandia National Laboratories – „i sugerują, że w określonych warunkach temperatury i ciśnienia określona faza żelaza może ustabilizować się i potencjalnie wpływać na geodynamo”.
Fazy tej, znanej jako faza bcc, nie zaobserwowano eksperymentalnie w żelazie w tych warunkach, a jedynie przypuszczano. Jeśli wyniki metody dynamiki spinu molekularnego zostaną potwierdzone, mogą pomóc w rozwiązaniu kilku pytań dotyczących efektu geodynama.
Wdrażanie energooszczędnej sztucznej inteligencji
Oprócz odkrycia nowych szczegółów dotyczących wnętrza Ziemi metoda ta może również przyczynić się do wprowadzenia innowacji technologicznych w materiałoznawstwie. Zarówno w swoim dziale, jak i dzięki współpracy zewnętrznej Cangi planuje wykorzystać tę technikę do modelowania neuromorficznych urządzeń komputerowych. To nowy typ sprzętu inspirowany sposobem działania ludzkiego mózgu, który pewnego dnia będzie mógł przetwarzać algorytmy sztucznej inteligencji szybciej i bardziej energooszczędnie. Dzięki cyfrowej replikacji systemów neuromorficznych opartych na spinie nowa metoda symulacji może wesprzeć rozwój innowacyjnych, wydajnych rozwiązań sprzętowych do uczenia maszynowego.
Przechowywanie danych oferuje drugą fascynującą drogę do dalszych badań: domeny magnetyczne wzdłuż maleńkich nanodrutów mogą służyć jako nośniki danych, które są szybsze i bardziej energooszczędne niż technologie konwencjonalne. „Obecnie nie ma dokładnych metod symulacji dla żadnego z zastosowań” – mówi Cangi. „Jestem jednak pewien, że nasze nowe podejście może modelować wymagane procesy fizyczne w tak realistyczny sposób, że możemy znacznie przyspieszyć rozwój technologiczny tych innowacji IT”.
Odniesienie: „Badanie żelaza w jądrze Ziemi za pomocą dynamiki spinu molekularnego” autorstwa Svetoslava Nikolova, Kushala Ramakrishny, Andrew Rohskopfa, Mani Lokamani, Juliena Tranchidy, Johna Carpentera, Attila Cangi i Mitchella A. Wooda, 12 grudnia 2024 r., Postępowanie Narodowej Akademii Nauk.
DOI: 10.1073/pnas.2408897121
