东方时讯网显微图像数据是开发低功耗、高速电子设备的关键。然而，纳米级磁性材料中复杂的相互作用很难理解。日本的一个研究小组实现了一种称为“扩展Landau自由能模型”的新功能设计理论，该理论将拓扑学和AI与自由能相结合，以自动解释显微图像。
该模型说明了磁化反转的物理机制和关键位置，并提出了一种低能耗的器件结构。
微观材料分析对于实现下一代纳米电子设备的理想性能至关重要，例如低功耗和高速。然而，此类设备中涉及的磁性材料通常在纳米结构和磁畴之间表现出极其复杂的相互作用。这反过来又使功能设计具有挑战性。
传统上，研究人员对显微图像数据进行了视觉分析。然而，这通常会使对此类数据的解释具有定性和高度主观性。所缺乏的是对纳米级磁性材料中复杂相互作用的潜在机制的因果分析。
在最近发表在《科学报告》(ScientificReports)上的一项突破中，由日本东京理科大学MasatoKotsugi教授领导的一组研究人员成功地实现了显微图像数据解释的自动化。
这是通过团队结合拓扑学、数据科学和自由能开发的“扩展Landau自由能模型”实现的。该模型可以说明物理机制以及磁效应的临界位置，并提出纳米器件的最佳结构。
该模型使用基于物理学的特征绘制信息空间中的能量景观，可用于理解各种材料在纳米尺度上的复杂相互作用。
图片1：扩展朗道自由能模型。主成分分析降维结果散点图。颜色代表总能量。磁畴与总能量的关系连接在可解释的特征空间中。图片来源：日本东京理科大学的MasatoKotsugi。
“传统的分析是基于显微镜图像的目视检查，与材料功能的关系只能定性表达，这是材料设计的主要瓶颈。我们扩展的Landau自由能模型使我们能够识别这些材料中复杂现象的物理起源和位置。这种方法克服了深度学习面临的可解释性问题，这在某种程度上相当于重新发明了新的物理定律，”Kotsugi教授解释道。
在设计模型时，团队利用拓扑学和数据科学领域的前沿技术，对朗道自由能模型进行了扩展。这导致了一个模型，该模型能够对纳米磁体中的磁化反转进行因果分析。该团队随后对原始磁畴图像的物理起源和可视化进行了自动识别。
图片2：因果分析和可视化的结果。TUS的科学家们已经成功地在显微图像中可视化了微小的变化，并理解了难以通过视觉分析的机制。此外，他们还成功地逆向设计了低能耗的纳米结构。图片来源：日本东京理科大学的MasatoKotsugi。
他们的结果表明，缺陷附近的退磁能会产生磁效应，这是造成“钉扎现象”的原因。此外，该团队可以可视化能量屏障的空间集中度，这是迄今为止尚未实现的壮举。最后，该团队提出了低功耗的记录设备和纳米结构的拓扑逆向设计。
本研究中提出的模型有望在自旋电子器件、量子信息技术和Web3的开发中产生广泛的应用。
“我们提出的模型为优化材料工程的磁性能开辟了新的可能性。扩展方法最终将使我们能够阐明材料的功能被表达的“原因”和“位置”。过去依赖目视检查的材料功能分析，现在可以量化，使精确的功能设计成为可能，”Kotsugi教授总结道。