MIT研究人員利用AI技術(shù)發(fā)現(xiàn)多層電子材料的隱藏磁力特性

與超導(dǎo)體相比，拓?fù)洳牧暇哂幸恍﹥?yōu)勢(shì)，如抗干擾性強(qiáng)。為了達(dá)到無(wú)耗散的電子狀態(tài)，一個(gè)關(guān)鍵的途徑是所謂的"磁接近效應(yīng)"，當(dāng)磁力稍微滲透到拓?fù)洳牧系谋砻鏁r(shí)，就會(huì)發(fā)生這種效應(yīng)。然而，觀(guān)察臨近效應(yīng)一直是個(gè)挑戰(zhàn)。

麻省理工學(xué)院機(jī)械工程博士生陳占濤（音譯）說(shuō)，"問(wèn)題是，人們正在尋找的表明存在這種效應(yīng)的信號(hào)通常太弱，無(wú)法用傳統(tǒng)方法進(jìn)行確鑿的檢測(cè)。"這就是為什么一個(gè)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)--位于麻省理工學(xué)院、賓夕法尼亞州立大學(xué)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所--決定嘗試一種非傳統(tǒng)的方法最終產(chǎn)生了令人驚訝的好結(jié)果。

在過(guò)去的幾年里，研究人員依靠一種被稱(chēng)為偏振中子反射儀（PNR）的技術(shù)來(lái)探測(cè)多層材料的深度相關(guān)的磁性結(jié)構(gòu)，以及尋找諸如磁接近效應(yīng)等現(xiàn)象。在PNR中，兩個(gè)具有相反自旋的偏振中子束被從樣品中反射出來(lái)，并在一個(gè)探測(cè)器上收集。"如果中子遇到一個(gè)磁通，比如在磁性材料內(nèi)部發(fā)現(xiàn)的磁通，它具有相反的方向，它將改變其自旋狀態(tài)，導(dǎo)致從自旋上升和自旋下降的中子束中測(cè)量到不同的信號(hào)，"材料科學(xué)和工程博士Nina Andrejevic解釋道。因此，如果一個(gè)通常非磁性材料的薄層--緊挨著磁性材料放置--顯示出被磁化，就可以檢測(cè)到磁接近效應(yīng)。

但是這種效應(yīng)非常微妙，只延伸了大約1納米的深度，當(dāng)涉及到解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)含糊不清的情況和挑戰(zhàn)。領(lǐng)導(dǎo)該研究小組的核科學(xué)與工程系Norman C. Rasmussen職業(yè)發(fā)展教授李明達(dá)（音譯）指出："通過(guò)將機(jī)器學(xué)習(xí)引入我們的方法，我們希望能更清楚地了解發(fā)生了什么。這一希望確實(shí)得到了證實(shí)，研究小組的發(fā)現(xiàn)于2022年3月17日發(fā)表在《應(yīng)用物理評(píng)論》上。"

研究人員調(diào)查了一種拓?fù)浣^緣體--一種在內(nèi)部是電絕緣的，但在表面可以傳導(dǎo)電流的材料。他們選擇關(guān)注一個(gè)由拓?fù)浣^緣體硒化鉍（Bi2Se3）和鐵磁絕緣體硫化銪（EuS）組成的層狀材料系統(tǒng)。Bi2Se3本身是一種非磁性材料，因此磁性的EuS層主導(dǎo)了兩個(gè)偏振中子束測(cè)量的信號(hào)之間的差異。然而，在機(jī)器學(xué)習(xí)的幫助下，研究人員能夠識(shí)別并量化對(duì)PNR信號(hào)的另一個(gè)貢獻(xiàn)--在Bi2Se3與相鄰的EuS層的界面上誘導(dǎo)的磁化。Andrejevic說(shuō)："機(jī)器學(xué)習(xí)方法在從復(fù)雜的數(shù)據(jù)中引出潛在的模式方面非常有效，使我們有可能辨別出PNR測(cè)量中像鄰近磁化那樣的微妙影響。"

當(dāng)PNR信號(hào)第一次被送入機(jī)器學(xué)習(xí)模型時(shí)，它是非常復(fù)雜的。該模型能夠簡(jiǎn)化這一信號(hào)，使接近效應(yīng)被放大，從而變得更加顯眼。利用PNR信號(hào)的這種簡(jiǎn)化表示，該模型然后可以量化誘導(dǎo)磁化--表明是否觀(guān)察到磁接近效應(yīng)--以及材料系統(tǒng)的其他屬性，如組成層的厚度、密度和粗糙度。

通過(guò)人工智能更好地輔助觀(guān)察

"我們已經(jīng)減少了以前分析中出現(xiàn)的模糊性，這要?dú)w功于使用機(jī)器學(xué)習(xí)輔助方法實(shí)現(xiàn)的分辨率翻倍，"參與這項(xiàng)研究的本科生研究人員Leon Fan和Henry Heiberger說(shuō)。這意味著他們可以在0.5納米的長(zhǎng)度尺度上辨別材料特性，這是接近效應(yīng)的典型空間范圍的一半。這就好比從20英尺外看黑板上的文字，卻無(wú)法看清任何文字。但是如果你能把這個(gè)距離減少一半，你可能就能看清所有內(nèi)容。

通過(guò)對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)的依賴(lài)，數(shù)據(jù)分析過(guò)程也可以大大加快。該框架已被安裝在幾條反射儀光束線(xiàn)上，以支持更廣泛類(lèi)型的材料分析。

一些外部觀(guān)察家贊揚(yáng)了這項(xiàng)新的研究--它是第一個(gè)評(píng)估機(jī)器學(xué)習(xí)在識(shí)別接近效應(yīng)方面的有效性的研究，也是第一批用于PNR數(shù)據(jù)分析的基于機(jī)器學(xué)習(xí)的軟件包之一。加州大學(xué)洛杉磯分校電氣工程系特聘教授兼雷神講座教授Kang L. Wang說(shuō)："Andrejevic等人的工作為捕捉PNR數(shù)據(jù)中的精細(xì)細(xì)節(jié)提供了另一種途徑，顯示了如何能夠持續(xù)實(shí)現(xiàn)更高的分辨率。"

明尼蘇達(dá)大學(xué)麥克奈特大學(xué)特聘教授Chris Leighton評(píng)論說(shuō)："這確實(shí)是一個(gè)令人興奮的進(jìn)步。他們新的機(jī)器學(xué)習(xí)方法不僅可以大大加快這一過(guò)程，而且可以從現(xiàn)有數(shù)據(jù)中擠出更多的材料信息"。

由麻省理工學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)的小組已經(jīng)在考慮擴(kuò)大他們的研究范圍。"磁接近效應(yīng)并不是我們唯一關(guān)心的弱效應(yīng)，"Andrejevic說(shuō)。"我們開(kāi)發(fā)的機(jī)器學(xué)習(xí)框架很容易轉(zhuǎn)移到不同種類(lèi)的問(wèn)題上，比如超導(dǎo)接近效應(yīng)，這在量子計(jì)算領(lǐng)域是很有意義的。"