地球的磁场是如何产生的？虽然基本原理大体上已被理解，但许多具体方面仍不清楚。来自德累斯顿-罗斯托夫亥姆霍兹中心（HZDR）的先进系统理解中心（CASUS）、美国桑迪亚国家实验室和法国替代能源与原子能委员会（CEA）的研究团队开发了一种模拟技术，可能为地球的核心提供新的见解。这种方法不仅分析原子行为，还捕捉材料的磁特性。这项研究对地球物理学至关重要，并可能有助于推动未来技术的发展，如类脑计算——这为更高效的人工智能系统提供了一种革命性的视角。研究结果发表在《PNAS》期刊上。
地球的磁场对生命至关重要，因为它保护地球免受有害的宇宙射线和太阳风的影响。这个磁场是通过地球发电机过程产生的。“我们知道，地球的核心主要由铁组成，”负责CASUS材料设计机器学习部门的阿提拉·坎吉说。“当你接近地球的核心时，温度和压力都会升高。温度的升高导致熔化，而压力的升高则使材料保持固态。由于地球内部独特的温度和压力条件，外核保持熔融状态，而内核保持固态。” 包围固态内核的带电液态铁流动，在地球的旋转和对流电流的推动下，产生电流，这些电流负责地球的磁场。
然而，关于地球核心的关键问题仍需解答。例如，核心的确切结构是什么？与铁共存的其他元素扮演什么角色？这些因素可能会显著影响地球发电机过程。科学家们通过将地震波发送穿过地球并使用敏感传感器分析其回声的实验中获得了一些见解。“这些实验表明，核心不仅仅包含铁，”桑迪亚国家实验室的首席作者斯维特索斯拉夫·尼科洛夫解释道。“这些测量结果与假设核心完全由铁组成的计算机模拟结果相矛盾。”
数字模拟冲击波
研究团队通过创建和测试一种新模拟方法——分子自旋动力学，取得了重大进展。这种创新方法将两种之前不同的模拟技术结合起来：分子动力学，模拟原子运动，以及自旋动力学，关注磁性质。“通过合并这些方法，我们能够探索极端压力和温度条件下的磁效应，达到以前无法实现的尺度，”CEA物理学家朱利安·特朗基达说。团队模拟了两百万个铁原子的行为及其自旋特性，以分析机械和磁性质之间的相互关系。他们还利用人工智能（AI）和机器学习来准确确定原子力场——即原子之间的相互作用，这需要强大的计算资源来开发和训练这些模型。
在准备模型后，研究人员进行实际模拟。代表地球核心的两百万个铁原子的数字表示遭受了地球内部的极端温度和压力条件。这是通过向原子发送压力波来模拟加热和压缩实现的。当这些冲击波的速度较慢时，铁保持固态并形成不同的晶体结构；当冲击波的速度更快时，铁则转变为主要为液态的状态。值得注意的是，研究人员发现磁性影响显著影响材料的性质。“我们的模拟与实验数据相符，”桑迪亚国家实验室的材料科学家米切尔·伍德表示。“它们表明，在某些温度和压力条件下，特定相态的铁可能会稳定，可能会影响地球发电机。”这一相态被称为bcc相，目前尚未在类似条件下的铁中实验观察到，仅仅是理论假设。如果得到验证，分子自旋动力学方法的结果可能有助于澄清地球发电机过程的几个方面。
推动能源高效的人工智能
除了揭示地球内部的新见解外，这种方法还对推动材料科学技术的进步充满希望。坎吉计划利用这一技术对类脑计算设备进行建模，这是一种受人脑功能启发的新型硬件，可能提升人工智能算法处理的速度和效率。通过数字模拟基于自旋的类脑系统，这一新方法可以帮助创建创新的、能源高效的机器学习硬件解决方案。
数据存储是另一个有前景的研究领域。沿着微小纳米线的磁域可能作为比现有技术更快速和更节能的存储选项。“目前，针对这些应用并没有准确的模拟方法，”坎吉提到。“但我相信我们新方法可以真实地模拟必要的物理过程，显著加速这些IT创新的技术进步。”
