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A análise microscópica de materiais é essencial para alcançar o desempenho desejável em dispositivos nanoeletrônicos de próxima geração, como baixo consumo de energia e altas velocidades. No entanto, os materiais magnéticos envolvidos em tais dispositivos geralmente exibem interações incrivelmente complexas entre nanoestruturas e domínios magnéticos. Isso, por sua vez, torna o design funcional desafiador.
Tradicionalmente, os pesquisadores realizam uma análise visual dos dados da imagem microscópica. No entanto, isso muitas vezes torna a interpretação de tais dados qualitativa e altamente subjetiva. O que falta é uma análise causal dos mecanismos subjacentes às interações complexas em materiais magnéticos em nanoescala.
Em um recente avanço publicado em Relatórios Científicos, uma equipe de pesquisadores liderada pelo Prof. Masato Kotsugi, da Tokyo University of Science, no Japão, conseguiu automatizar a interpretação dos dados da imagem microscópica. Isso foi alcançado usando um “modelo estendido de energia livre de Landau” que a equipe desenvolveu usando uma combinação de topologia, ciência de dados e energia livre. O modelo pode ilustrar o mecanismo físico, bem como a localização crítica do efeito magnético, e propôs uma estrutura ótima para um nanodispositivo. O modelo usou recursos baseados na física para desenhar paisagens de energia no espaço da informação, que podem ser aplicadas para entender as complexas interações em nanoescala em uma ampla variedade de materiais.
“As análises convencionais são baseadas em uma inspeção visual das imagens do microscópio, e as relações com a função do material são expressas apenas qualitativamente, o que é um grande gargalo para o design do material. Nosso modelo estendido de energia livre de Landau nos permite identificar a origem física e a localização de os fenômenos complexos dentro desses materiais. Essa abordagem supera o problema de explicabilidade enfrentado pelo aprendizado profundo, o que, de certa forma, equivale a reinventar novas leis físicas”, explica o Prof. Kotsugi. Este trabalho foi apoiado por KAKENHI, JSPS e o MEXT-Programa para Criação de Tecnologia de Núcleo Inovador para Subvenção de Eletrônica de Potência.
Ao projetar o modelo, a equipe fez uso da técnica de ponta nas áreas de topologia e ciência de dados para estender o modelo de energia livre de Landau. Isso levou a um modelo que permitiu uma análise causal da reversão da magnetização em nanoímãs. A equipe então realizou uma identificação automatizada da origem física e visualização das imagens originais do domínio magnético.
Seus resultados indicaram que a energia de desmagnetização perto de um defeito dá origem a um efeito magnético, que é responsável pelo “fenômeno de pinning”. Além disso, a equipe pôde visualizar a concentração espacial das barreiras de energia, um feito que não havia sido alcançado até agora. Por fim, a equipe propôs um design topologicamente inverso de dispositivos de gravação e nanoestruturas com baixo consumo de energia.
Espera-se que o modelo proposto neste estudo contribua para uma ampla gama de aplicações no desenvolvimento de dispositivos spintrônicos, tecnologia da informação quântica e Web 3.
“Nosso modelo proposto abre novas possibilidades para otimização de propriedades magnéticas para engenharia de materiais. O método estendido finalmente nos permitirá esclarecer ‘por que’ e ‘onde’ a função de um material é expressa. A análise de funções de materiais, que costumavam dependem da inspeção visual, agora podem ser quantificados para possibilitar um projeto funcional preciso”, conclui o otimista Prof. Kotsugi.
Fonte da história:
Materiais fornecidos por Universidade de Ciências de Tóquio. Observação: o conteúdo pode ser editado quanto ao estilo e tamanho.
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