روش جدید شبیه‌سازی: نگاهی دقیق‌تر به عمق زمین

چگونه زمین میدان مغناطیسی خود را تولید می‌کند؟

در حالی که مکانیزم‌های اصلی تولید میدان مغناطیسی زمین به خوبی درک شده‌اند، بسیاری از جزئیات هنوز در سایه ابهام باقی مانده است. یک تیم از محققان مرکز درک سیستم‌های پیشرفته (CASUS) در مرکز هلمولتس در درسدن-روسندورف (HZDR)، آزمایشگاه‌های ملی سندیا در ایالات متحده و کمیسیون انرژی‌های جایگزین و انرژی هسته‌ای فرانسه (CEA) روشی جدید برای شبیه‌سازی معرفی کرده‌اند که نویدبخش بینش‌های تازه‌ای درباره هسته زمین است. این روش نه‌تنها رفتار اتم‌ها را شبیه‌سازی می‌کند، بلکه خواص مغناطیسی مواد را نیز مد نظر قرار می‌دهد. این رویکرد برای ژئوفیزیک اهمیت زیادی دارد و می‌تواند به توسعه فناوری‌های آینده مانند محاسبات نورومورفیک – که یک رویکرد نوآورانه برای طراحی سیستم‌های هوش مصنوعی کارآمدتر به شمار می‌رود – کمک کند. تیم نتایج خود را در نشریه PNAS منتشر کرده است.

اهمیت میدان مغناطیسی زمین

میدان مغناطیسی زمین برای حفظ حیات ضروری است، زیرا این میدان سیاره را از تابش کیهانی و بادهای خورشیدی محافظت می‌کند. میدان مغناطیسی زمین از طریق اثر ژئودینامو تولید می‌شود. آتیلا کنگی، رئیس بخش یادگیری ماشین برای طراحی مواد در CASUS، توضیح می‌دهد: “ما می‌دانیم که هسته زمین عمدتاً از آهن تشکیل شده است. هرچه به هسته نزدیک‌تر می‌شویم، دما و فشار افزایش می‌یابد. افزایش دما باعث ذوب شدن مواد می‌شود، در حالی که افزایش فشار آنها را جامد نگه می‌دارد. به دلیل شرایط خاص دما و فشار درون زمین، هسته خارجی در حالت مذاب قرار دارد، در حالی که هسته داخلی جامد باقی می‌ماند.”

آهن مایع و بار الکتریکی‌دار به دور هسته جامد داخلی جریان دارد و این جریان‌ها ناشی از چرخش زمین و جریان‌های همرفتی است. این حرکات باعث تولید جریان‌های الکتریکی می‌شود که به نوبه خود میدان مغناطیسی سیاره را تولید می‌کند. با این حال، سوالات مهمی درباره هسته زمین هنوز بی‌پاسخ مانده است. به عنوان مثال، ساختار دقیق هسته آن چیست؟ و عناصر اضافی – که تصور می‌شود در کنار آهن وجود دارند – چه نقشی ایفا می‌کنند؟ هر دو عامل می‌توانند تأثیر عمیقی بر اثر ژئودینامو داشته باشند.

کشف‌های جدید از طریق آزمایشات

سرنخ‌هایی از آزمایشاتی به‌دست می‌آید که در آن دانشمندان امواج لرزه‌ای را از طریق زمین ارسال کرده و “پاسخ” آنها را با حسگرهای بسیار حساس اندازه‌گیری می‌کنند. سووتوسلاو نیکولوف از آزمایشگاه‌های ملی سندیا، نویسنده اصلی این مطالعه، می‌گوید: “این آزمایشات نشان می‌دهد که هسته بیشتر از آهن تشکیل شده است.” او ادامه می‌دهد: “اندازه‌گیری‌ها با شبیه‌سازی‌های کامپیوتری که فرض می‌کنند هسته‌ای از آهن خالص وجود دارد، مطابقت ندارد.”

شبیه‌سازی امواج شوک با کامپیوتر

تیم تحقیقاتی اکنون پیشرفت قابل توجهی در توسعه و آزمایش یک روش شبیه‌سازی جدید به‌دست آورده است. نوآوری کلیدی این روش که به نام دینامیک اسپین مولکولی شناخته می‌شود، در ادغام دو رویکرد شبیه‌سازی جداگانه قبلی نهفته است: دینامیک مولکولی که حرکت اتم‌ها را مدل‌سازی می‌کند و دینامیک اسپین که خواص مغناطیسی را در نظر می‌گیرد.

تحقیقات جدید در زمینه مغناطیس و فشار بالا

جولیان ترانچیدا، فیزیک‌دان CEA، می‌گوید: «با ترکیب این دو روش، توانستیم تأثیر مغناطیس را در شرایط فشار و دمای بالا بر روی مقیاس‌های طول و زمان که قبلاً غیرقابل دسترسی بودند، بررسی کنیم.» به‌طور خاص، تیم تحقیقاتی رفتار دو میلیون اتم آهن و چرخش‌های آن‌ها را شبیه‌سازی کرد تا تعامل پویا بین خواص مکانیکی و مغناطیسی را تحلیل کند. این محققان همچنین از هوش مصنوعی (AI) استفاده کردند و با به‌کارگیری یادگیری ماشین، میدان‌های نیرویی — تعاملات بین اتم‌ها — را با دقت بالا تعیین کردند. توسعه و آموزش این مدل‌ها نیاز به منابع محاسباتی با کارایی بالا داشت.

پس از آماده شدن مدل‌ها، محققان شبیه‌سازی‌های واقعی را انجام دادند: مدل دیجیتال دو میلیون اتم آهن، که نماینده هسته زمین بود، تحت شرایط دما و فشار موجود در درون زمین قرار گرفت. این کار با انتشار امواج فشار از طریق اتم‌های آهن انجام شد که گرمایش و فشرده‌سازی آن‌ها را شبیه‌سازی می‌کرد. زمانی که سرعت این امواج شوک کمتر بود، آهن به حالت جامد باقی ماند و ساختارهای بلوری متفاوتی را به خود گرفت. اما وقتی امواج شوک سریع‌تر بودند، آهن عمدتاً به حالت مایع درآمد.

به‌ویژه، محققان دریافتند که تأثیرات مغناطیسی به‌طور قابل توجهی بر خواص ماده تأثیر می‌گذارد. میچل وود، دانشمند مواد در آزمایشگاه‌های ملی سندیا، می‌گوید: «شبیه‌سازی‌های ما با داده‌های تجربی به خوبی هم‌خوانی دارد و نشان می‌دهد که تحت شرایط خاص دما و فشار، یک فاز خاص از آهن می‌تواند تثبیت شود و احتمالاً بر ژئودینامو تأثیر بگذارد.» این فاز که به‌عنوان فاز bcc شناخته می‌شود، تاکنون در آهن تحت این شرایط به‌صورت تجربی مشاهده نشده و تنها فرض شده است. اگر این موضوع تأیید شود، نتایج روش دینامیک اسپین مولکولی می‌تواند به حل چندین سوال در مورد اثر ژئودینامو کمک کند.

پیشرفت‌های هوش مصنوعی با انرژی کارآمد

علاوه بر کشف جزئیات جدید درباره درون زمین، این روش همچنین پتانسیل ایجاد نوآوری‌های تکنولوژیکی در علم مواد را دارد. کنگی، هم در دپارتمان خود و هم از طریق همکاری‌های خارجی، قصد دارد از این تکنیک برای مدل‌سازی دستگاه‌های محاسباتی نورومورفیک استفاده کند. این نوع جدید سخت‌افزار که از نحوه عملکرد مغز انسان الهام گرفته شده، می‌تواند روزی الگوریتم‌های هوش مصنوعی را سریع‌تر و با انرژی کمتری پردازش کند.

با شبیه‌سازی دیجیتال سیستم‌های نورومورفیک مبتنی بر اسپین، روش شبیه‌سازی جدید می‌تواند از توسعه راه‌حل‌های سخت‌افزاری نوآورانه و کارآمد برای یادگیری ماشین حمایت کند. ذخیره‌سازی داده‌ها نیز یک مسیر جذاب دیگر برای تحقیقات بیشتر است: دامنه‌های مغناطیسی در طول نانولوله‌های کوچک می‌توانند به‌عنوان رسانه‌های ذخیره‌سازی عمل کنند که سریع‌تر و با انرژی کمتری نسبت به فناوری‌های متعارف هستند. کنگی می‌گوید: «در حال حاضر هیچ روش شبیه‌سازی دقیقی برای هر دو کاربرد وجود ندارد، اما من مطمئن هستم که رویکرد جدید ما می‌تواند فرآیندهای فیزیکی مورد نیاز را به‌گونه‌ای واقع‌گرایانه مدل‌سازی کند که بتوانیم توسعه تکنولوژیکی این نوآوری‌های IT را به‌طور قابل توجهی تسریع کنیم.»