¿Cómo genera la Tierra su campo magnético? Aunque se comprenden los mecanismos subyacentes, muchos detalles siguen sin resolverse. Un equipo de investigadores del Centro para la Comprensión de Sistemas Avanzados (CASUS) del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), los Laboratorios Nacionales Sandia en EE.UU. y la Comisión Francesa de Energía Alternativa y Energía Atómica (CEA) han introducido un método de simulación que puede El centro promete nuevos conocimientos. Este método simula no sólo el comportamiento de los átomos sino también las propiedades magnéticas de los materiales. Este enfoque es importante para la geofísica, pero también podría ayudar al desarrollo de tecnologías futuras como la computación neuromórfica, un enfoque innovador para sistemas de IA más eficientes. El equipo presenta sus hallazgos en una revista. PNAS.
El campo magnético de la Tierra es esencial para sustentar la vida, ya que protege al planeta de la radiación cósmica y el viento solar. Se produce por el efecto geodinamo. “Sabemos que el núcleo de la Tierra está compuesto principalmente de hierro”, explica Attila Kengi, jefe de aprendizaje automático en el departamento de diseño de materiales de CASUS. “A medida que uno se acerca al centro de la Tierra, tanto la temperatura como la presión aumentan. El aumento de temperatura derrite los materiales, mientras que el aumento de presión los mantiene sólidos. Ciertas temperaturas y presiones dentro de la Tierra debido a la situación, el núcleo externo se en estado fundido, mientras que el núcleo interno permanece sólido.” El hierro líquido, cargado eléctricamente, fluye alrededor del núcleo interno sólido impulsado por la rotación de la Tierra y las corrientes de convección. Estos movimientos generan corrientes eléctricas, que a su vez generan el campo magnético del planeta.
Sin embargo, siguen sin respuesta importantes cuestiones sobre el núcleo de la Tierra. Por ejemplo, ¿cuál es la estructura exacta de su núcleo? ¿Y qué papel juegan los elementos adicionales, los presentes con el hierro? Ambos factores pueden tener un profundo efecto sobre el efecto geodinamo. Las señales provienen de experimentos en los que los científicos envían ondas sísmicas a través del suelo y miden sus “ecos” con sensores altamente sensibles. “Estos experimentos sugieren que hay algo más en el núcleo que sólo hierro”, dice Svetoslav Nikolov de los Laboratorios Nacionales Sandia, autor principal del estudio. “Las mediciones no concuerdan con las simulaciones por ordenador que suponen un núcleo de hierro puro.”
Simulando ondas de choque en una computadora
El equipo de investigación ha logrado avances significativos al desarrollar y probar un nuevo método de simulación. La innovación clave del método, llamado dinámica de espín molecular, radica en la integración de dos métodos de simulación distintos: la dinámica molecular, que Modela el movimiento atómico y la dinámica de espín, que caracterizan las propiedades magnéticas. “Al combinar estos dos métodos, podemos observar altas presiones y altas temperaturas en escalas largas y temporales”, destaca el físico del CEA Julián Tranchida. logró investigar la influencia del magnetismo en condiciones de En concreto, el equipo analizó dos millones de átomos de hierro y su comportamiento rotacional para analizar la interacción dinámica entre las propiedades mecánicas y magnéticas. Copiado. Los investigadores también utilizaron inteligencia artificial (IA), utilizando el aprendizaje automático para determinar los campos de fuerza entre los átomos. Interacción: con alta precisión. Desarrollar y entrenar estos modelos requiere recursos informáticos de alto rendimiento.
Una vez desarrollados los modelos, los investigadores realizaron simulaciones reales: un modelo digital de dos millones de átomos de hierro, representativos del núcleo de la Tierra, fue sometido a las condiciones de temperatura y presión que se encuentran en el interior de la Tierra. Esto se hizo propagando ondas de presión a través de átomos de hierro, simulando su calentamiento y compresión. Cuando la velocidad de estas ondas de choque era baja, el hierro permanecía sólido y adoptaba una estructura cristalina diferente. Cuando las ondas de choque eran altas, el hierro se volvía mayoritariamente líquido. En particular, los investigadores descubrieron que los efectos magnéticos afectan significativamente las propiedades del material. “Nuestras simulaciones concuerdan con los datos experimentales”, afirma Mitchell Wood, científico de materiales de los Laboratorios Nacionales Sandia, y sugiere que, bajo determinadas condiciones de temperatura y presión, una determinada fase del hierro puede ser estable y posiblemente afectar a la temperatura. geodinamo. Esta fase, llamada fase bcc, no se ha observado experimentalmente en el hierro en estas condiciones, solo es una hipótesis. Si se confirman, los resultados del método de dinámica de espín molecular podrían ayudar a resolver muchas preguntas sobre el efecto geodinamo.
Conducción con IA energéticamente eficiente
Además de descubrir nuevos detalles sobre el interior de la Tierra, el método también tiene el potencial de impulsar innovaciones tecnológicas en la ciencia de materiales. En su departamento y mediante colaboraciones externas, Kengi planea utilizar la técnica para modelar dispositivos informáticos neuromórficos. Es un nuevo tipo de hardware con el que trabaja el cerebro humano, que algún día podría procesar algoritmos de IA más rápido y con más energía. Al simular digitalmente sistemas neuromórficos basados en espín, el nuevo método de simulación puede contribuir al desarrollo de soluciones de hardware innovadoras y eficientes para el aprendizaje automático.
El almacenamiento de datos ofrece otra vía convincente para futuras investigaciones: los dominios magnéticos con nanocables diminutos pueden servir como medios de almacenamiento más rápidos y energéticamente más eficientes que las tecnologías convencionales. “Actualmente no existen métodos de simulación exactos para ninguna aplicación”, afirma Kengi. “Pero creo que nuestro nuevo enfoque puede modelar el proceso físico deseado de una manera tan realista que podemos acelerar significativamente el desarrollo tecnológico de estas innovaciones TI”.
