地球是如何產生磁場的？ 雖然科學家們了解地球磁場背後的基本過程，但許多細節仍不清楚。 來自德累斯頓-羅森多夫赫爾姆霍茲中心（HZDR）高級系統理解中心（CASUS）、美國桑迪亞國家實驗室（Sandia National Laboratories）和法國替代能源與原子能委員會（CEA）的研究人員組成的研究小組開發了一種突破性的模擬方法，用於更精確地探索地心。

地球具有殼狀結構。 它分為地核（內核和外核）、地函（下地函和上地函，由過渡帶隔開）和地殼。 圖片來源：B. Schröder/HZDR/NASA/Goddard Space Flight Center Scientific Visualization Studio

這種方法不僅能模擬原子行為，還能模擬極端條件下材料的磁性。 他們的方法可以極大地推動地球物理學研究，同時為神經形態計算等技術創新鋪平道路–神經形態計算是一個旨在創建更節能的人工智慧系統的前沿領域。

研究團隊的研究成果於12月12日發表在《PNAS》雜誌。

地球磁場對生命至關重要，它保護地球免受有害宇宙輻射和太陽風的傷害。 這種保護是由地球動力效應所驅動，而地球動力效應是由地核內熔融鐵的運動所驅動的。

“我們知道，地核主要由鐵組成，”CASUS 材料設計機器學習部門負責人Attila Cangi 解釋。 “越接近地心，溫度和壓力就越高。溫度的升高使物質熔化，而壓力的升高則使物質保持固態。 由於地球內部特定的溫度和壓力條件，外核處於熔融狀態，而內核則保持固態。

由於地球的自轉和對流，帶電的液態鐵在內核周圍流動，產生電流，形成包裹地球的磁場。

儘管有了這個基本認識，但許多細節問題仍未解決。 科學家仍在研究地核的確切結構以及鐵以外的其他元素的作用，這些元素可能會影響地球動力效應。 地震實驗提供了線索：研究人員向地球發送衝擊波，並用靈敏的感測器測量迴聲。

研究報告的第一作者、桑迪亞國家實驗室的斯維托斯拉夫-尼科洛夫（Svetoslav Nikolov）說：「這些實驗表明，地核不僅僅含有鐵。」測量結果與假設內核為純鐵的計算機模擬結果並不一致。 “

透過開發和測試一種新的模擬方法，研究小組取得了重大進展。 這種方法被稱為分子-自旋動力學，其關鍵創新之處在於整合了先前兩種獨立的模擬方法：模擬原子運動的分子動力學和考慮磁性的自旋動力學。

CEA物理學家朱利安-特蘭奇達（Julien Tranchida）強調：「透過將這兩種方法結合起來，我們能夠研究高壓和高溫條件下磁性在長度和時間尺度上的影響，這在以前是無法實現的。

具體來說，研究小組模擬了200 萬個鐵原子及其自旋的行為，以分析機械和磁性之間的動態相互作用。 研究人員也採用了人工智慧（AI），利用機器學習來高精度地確定力場–原子間的相互作用。 開發和訓練這些模型需要高效能運算資源。

模型準備好後，研究人員進行了實際模擬：將代表地核的200 萬個鐵原子數位模型置於地球內部的溫度和壓力條件下。 具體方法是在鐵原子中傳播壓力波，模擬鐵原子的加熱和壓縮。 當這些衝擊波的速度較低時，鐵保持固態並採用不同的晶體結構。 當衝擊波速度較快時，鐵大部分變成了液態。 研究人員特別發現，磁效應對材料的特性有很大影響。

桑迪亞國家實驗室的材料科學家米切爾-伍德說：”我們的模擬結果與實驗數據非常吻合。結果表明，在特定的溫度和壓力條件下，鐵的某一特定相可能會穩定下來，並有可能影響地球動力。

這種相稱為bcc 相，在這些條件下還沒有在鐵中實驗觀察到，只是假設而已。 如果得到證實，分子自旋動力學方法的結果將有助於解決地球動力效應的幾個問題。

除了揭示地球內部的新細節，這種方法還有可能推動材料科學的技術創新。 Cangi計劃在自己的部門並透過外部合作，利用該技術為神經形態計算設備建模。 這是一種新型硬件，其靈感來自人腦的工作方式，有朝一日可以更快、更節能地處理人工智慧演算法。 透過以數位方式複製基於自旋的神經形態系統，新的類比方法可以為開發創新、高效的機器學習硬體解決方案提供支援。

資料儲存為進一步研究提供了第二個引人注目的途徑： 沿著微小奈米線的磁疇可以作為儲存介質，比傳統技術更快、更節能。 “目前還沒有針對這兩種應用的精確模擬方法，”Cangi 說。 “但我相信，我們的新方法能夠以如此逼真的方式模擬所需的物理過程，從而大大加快這些資訊技術創新的技術發展。”

編譯自/ scitechdaily

DOI：10.1073/pnas.2408897121