Традиционно исследователи проводили визуальный анализ данных микроскопических изображений. Однако это часто делает интерпретацию таких данных качественной и крайне субъективной. Чего не хватает, так это причинно-следственного анализа механизмов, лежащих в основе сложных взаимодействий в наноразмерных магнитных материалах.

В недавнем прорыве, опубликованном в Научные отчеты, группа исследователей во главе с проф. Масато Коцуги из Токийского университета науки, Япония, преуспел в автоматизации интерпретации данных микроскопических изображений. Это было достигнуто с помощью "расширенной модели свободной энергии Ландау", которую команда разработала, используя комбинацию топологии, науки о данных и свободной энергии. Модель могла бы проиллюстрировать физический механизм, а также критическое местоположение магнитного эффекта и предложила оптимальную структуру для наноустройства. Модель использовала основанные на физике функции для рисования энергетических ландшафтов в информационном пространстве, которые могут быть применены для понимания сложных взаимодействий на наноуровне в самых разных материалах.

"Обычный анализ основан на визуальном осмотре изображений под микроскопом, и взаимосвязи с функцией материала выражаются только качественно, что является основным узким местом для проектирования материалов. Наша расширенная модель свободной энергии Ландау позволяет нам определить физическое происхождение и местоположение сложных явлений в этих материалах. Этот подход преодолевает проблему объяснимости, с которой сталкивается глубокое обучение, что в некотором смысле равносильно изобретению новых физических законов", - сказал профессор. Коцуги объясняет. Эта работа была поддержана KAKENHI, JSPS и грантом MEXT-Программы по созданию инновационной базовой технологии для силовой электроники.

При разработке модели команда использовала самые современные методы в области топологии и науки о данных, чтобы расширить модель свободной энергии Ландау. Это привело к созданию модели, которая позволила провести причинно-следственный анализ изменения намагниченности в наномагнетиках. Затем команда выполнила автоматическую идентификацию физического происхождения и визуализацию исходных изображений магнитного домена.

Их результаты показали, что энергия размагничивания вблизи дефекта приводит к возникновению магнитного эффекта, который отвечает за "явление закрепления". Кроме того, команда смогла визуализировать пространственную концентрацию энергетических барьеров, что до сих пор не было достигнуто. Наконец, команда предложила топологически обратную конструкцию записывающих устройств и наноструктур с низким энергопотреблением.

Ожидается, что модель, предложенная в этом исследовании, внесет вклад в широкий спектр приложений при разработке спинтронных устройств, квантовых информационных технологий и Web 3.

"Предлагаемая нами модель открывает новые возможности для оптимизации магнитных свойств в материаловедении. Расширенный метод, наконец, позволит нам прояснить, "почему" и "где" выражается функция материала. Анализ функций материала, который раньше основывался на визуальном осмотре, теперь может быть количественно оценен, чтобы сделать возможным точное функциональное проектирование", - заключает оптимистичный профессор. Коцуги.