Магнитное поле Земли необходимо для поддержания жизни, поскольку оно защищает планету от космической радиации и солнечного ветра. Оно создается за счет геодинамического эффекта. "Мы знаем, что ядро Земли в основном состоит из железа", - объясняет Аттила Канги, руководитель отдела машинного обучения и проектирования материалов в CASUS. "По мере приближения к ядру Земли температура и давление повышаются. Повышение температуры приводит к расплавлению материалов, в то время как повышение давления сохраняет их твердыми. Из-за особых условий температуры и давления внутри Земли внешнее ядро находится в расплавленном состоянии, в то время как внутреннее ядро остается твердым." Электрически заряженное жидкое железо обтекает твердое внутреннее ядро, движимое вращением Земли и конвекционными потоками. Эти движения создают электрические токи, которые, в свою очередь, генерируют магнитное поле планеты.

Однако важные вопросы о ядре Земли остаются без ответа. Например, какова точная структура ее ядра? И какую роль играют дополнительные элементы, которые, как считается, присутствуют наряду с железом? Оба фактора могут существенно повлиять на геодинамический эффект. Ключ к разгадке дают эксперименты, в ходе которых ученые посылают сейсмические волны через Землю и измеряют их "эхо" с помощью высокочувствительных датчиков. "Эти эксперименты показывают, что ядро содержит не только железо", - говорит Святослав Николов из Национальной лаборатории Сандии, ведущий автор исследования. "Результаты измерений не согласуются с компьютерным моделированием, которое предполагает наличие ядра из чистого железа".

Моделирование ударных волн на компьютере

В настоящее время исследовательская группа достигла значительного прогресса, разработав и протестировав новый метод моделирования. Ключевое новшество метода, называемого молекулярно-спиновой динамикой, заключается в интеграции двух ранее отдельных подходов к моделированию: молекулярной динамики, которая моделирует движение атомов, и спиновой динамики, которая учитывает магнитные свойства. "Объединив эти два метода, мы смогли исследовать влияние магнетизма в условиях высокого давления и высокой температуры на протяженность и временные масштабы, которые ранее были недостижимы", - подчеркивает физик CEA Жюльен Траншида (Julien Tranchida). В частности, команда смоделировала поведение двух миллионов атомов железа и их спины, чтобы проанализировать динамическое взаимодействие между механическими и магнитными свойствами. Исследователи также использовали искусственный интеллект (ИИ), используя машинное обучение для определения силовых полей - взаимодействий между атомами - с высокой точностью. Разработка и обучение этих моделей требовали высокопроизводительных вычислительных ресурсов.

Как только модели были готовы, исследователи провели фактическое моделирование: цифровая модель из двух миллионов атомов железа, представляющих ядро Земли, была подвергнута воздействию температуры и давления, характерных для недр Земли. Это было сделано путем распространения волн давления через атомы железа, имитируя их нагрев и сжатие. Когда скорость этих ударных волн была ниже, железо оставалось твердым и принимало другую кристаллическую структуру. Когда ударные волны были быстрее, железо становилось в основном жидким. В частности, исследователи обнаружили, что магнитные эффекты существенно влияют на свойства материала. "Наши расчеты хорошо согласуются с экспериментальными данными, - говорит Митчелл Вуд, специалист по материаловедению из Национальной лаборатории Сандии, - и они предполагают, что при определенных условиях температуры и давления определенная фаза железа может стабилизироваться и потенциально влиять на геодинамику". Эта фаза, известная как оцк-фаза, в железе в таких условиях экспериментально не наблюдалась, а только предполагалась. Если результаты метода молекулярно-спиновой динамики подтвердятся, это может помочь разрешить несколько вопросов, связанных с геодинамическим эффектом.

Создание энергоэффективного искусственного интеллекта

Помимо раскрытия новых деталей о недрах Земли, этот метод также может способствовать технологическим инновациям в материаловедении. Как в своем отделе, так и в рамках внешнего сотрудничества Канги планирует использовать этот метод для моделирования нейроморфных вычислительных устройств. Это новый тип аппаратного обеспечения, основанный на том, как работает человеческий мозг, который в один прекрасный день сможет обрабатывать алгоритмы искусственного интеллекта быстрее и с большей энергоэффективностью. Благодаря цифровому воспроизведению нейроморфных систем, основанных на вращении, новый метод моделирования может способствовать разработке инновационных и эффективных аппаратных решений для машинного обучения.

Хранение данных открывает еще один перспективный путь для дальнейших исследований: магнитные домены, расположенные вдоль крошечных нанопроводов, могут служить в качестве носителей информации, которые работают быстрее и энергоэффективнее, чем обычные технологии. "В настоящее время нет точных методов моделирования ни для того, ни для другого применения", - говорит Канги. - Но я уверен, что наш новый подход позволяет моделировать необходимые физические процессы настолько реалистично, что мы сможем значительно ускорить технологическое развитие этих ИТ-инноваций".