روش جدید شبیه‌سازی: شکافتن پرده اسرار درون زمین

چگونه زمین میدان مغناطیسی خود را تولید می‌کند؟

در حالی که مکانیسم‌های پایه‌ای تولید میدان مغناطیسی زمین به خوبی درک شده‌اند، بسیاری از جزئیات هنوز بی‌پاسخ مانده‌اند. یک تیم از محققان مرکز درک سیستم‌های پیشرفته (CASUS) در هلموهولتس-زنتروم درسدن-روسندورف (HZDR)، آزمایشگاه‌های ملی ساندیا در ایالات متحده و کمیسیون انرژی‌های نو و انرژی هسته‌ای فرانسه (CEA) یک روش شبیه‌سازی جدید معرفی کرده‌اند که نویدبخش بینش‌های تازه‌ای درباره هسته زمین است. این روش نه تنها رفتار اتم‌ها را شبیه‌سازی می‌کند، بلکه خواص مغناطیسی مواد را نیز در نظر می‌گیرد. این رویکرد برای ژئوفیزیک اهمیت زیادی دارد و می‌تواند به توسعه فناوری‌های آینده مانند محاسبات نورومورفیک — یک رویکرد نوآورانه برای ایجاد سیستم‌های هوش مصنوعی کارآمدتر — 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 باد خورشیدی محافظت می‌کند. این میدان به وسیله 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. با نزدیک‌تر شدن به هسته، دما و فشار افزایش می‌یابند. افزایش دما باعث ذوب شدن مواد می‌شود، در حالی که افزایش فشار آنها را در حالت جامد نگه می‌دارد. به دلیل شرایط خاص دما و فشار درون زمین، هسته بیرونی در حالت مذاب است، در حالی که هسته درونی جامد باقی می‌ماند.”

آهن مایع و دارای بار الکتریکی به دور هسته جامد درونی جریان دارد که این جریان به وسیله چرخش زمین و جریان‌های همرفتی ایجاد می‌شود. این حرکات، جریان‌های الکتریکی تولید می‌کنند که به نوبه خود میدان مغناطیسی سیاره را ایجاد می‌کند. با این حال، سوالات مهمی درباره هسته زمین هنوز بی‌پاسخ مانده‌اند. به عنوان مثال، ساختار دقیق هسته آن چیست؟ و نقش عناصر اضافی که تصور می‌شود به همراه آهن وجود دارند، چیست؟ هر دو عامل می‌توانند تأثیر عمیقی بر اثر ژئودینامو داشته باشند.

کشف سرنخ‌ها از طریق آزمایشات

سرنخ‌هایی از آزمایشاتی به دست می‌آید که در آن دانشمندان امواج لرزه‌ای را از طریق زمین ارسال کرده و “اکو”های آن را با حسگرهای بسیار حساس اندازه‌گیری می‌کنند. سووتوسلاو نیکولوف از آزمایشگاه‌های ملی ساندیا، نویسنده اصلی این مطالعه می‌گوید: “این آزمایشات نشان می‌دهند که هسته تنها از آهن تشکیل نشده است. اندازه‌گیری‌ها با شبیه‌سازی‌های کامپیوتری که فرض می‌کنند هسته‌ای از آهن خالص وجود دارد، مطابقت ندارد.”

شبیه‌سازی امواج شوک در کامپیوتر

تیم تحقیقاتی اکنون پیشرفت قابل توجهی با توسعه و آزمایش یک روش شبیه‌سازی جدید به دست آورده است. نوآوری کلیدی این روش که دینامیک اسپین مولکولی نام دارد، در ادغام دو رویکرد شبیه‌سازی قبلاً جداگانه نهفته است: دینامیک مولکولی که حرکت اتم‌ها را مدل‌سازی می‌کند و دینامیک اسپین که خواص مغناطیسی را مد نظر قرار می‌دهد.

تحقیق در مورد تأثیر مغناطیس در شرایط فشار و دما بالا

جولیان ترانچیدا، فیزیکدان CEA، تأکید می‌کند: “با ترکیب این دو روش، توانستیم تأثیر مغناطیس را در شرایط فشار و دما بالا بررسی کنیم، در مقیاس‌های طول و زمان که قبلاً غیرقابل دسترسی بودند.” این تیم به‌طور خاص رفتار دو میلیون اتم آهن و چرخش‌های آن‌ها را شبیه‌سازی کرد تا تعامل پویا بین خواص مکانیکی و مغناطیسی را تحلیل کند. پژوهشگران 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 به منابع محاسباتی با کارایی بالا نیاز داشت.

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

به‌ویژه، پژوهشگران دریافتند که تأثیرات مغناطیسی به‌طور قابل توجهی بر خواص ماده تأثیر می‌گذارد. میچل وود، دانشمند مواد در آزمایشگاه ملی ساندیا، 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 به عنوان فاز bcc شناخته می‌شود، تاکنون در آهن تحت این شرایط به‌طور تجربی مشاهده نشده و تنها فرض شده است. اگر این نتایج تأیید شوند، نتایج روش دینامیک اسپین مولکولی می‌تواند به حل چندین سؤال درباره اثر ژئودینامو کمک کند.

پیشبرد 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 از سخت‌افزار که از نحوه کارکرد مغز انسان الهام گرفته شده، می‌تواند روزی الگوریتم‌های هوش مصنوعی را سریع‌تر و با مصرف 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 تحقیق بیشتر است: دامنه‌های مغناطیسی در طول نانولوله‌های کوچک می‌توانند به عنوان رسانه‌های ذخیره‌سازی عمل کنند که سریع‌تر و با انرژی کمتری نسبت به فناوری‌های متداول 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 واقعی مدل‌سازی کند که بتوانیم توسعه تکنولوژیکی این نوآوری‌های IT را به‌طور قابل توجهی تسریع کنیم.”