Come la Terra genera il suo campo magnetico? Sebbene i meccanismi di base sembrino essere compresi, molti dettagli rimangono irrisolti; una squadra di ricercatori del Center for Advanced Systems Understanding (CASUS) presso l’Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), dei Sandia National Laboratories negli USA e della Commissione Francese per le Energie Alternative e l’Energia Atomica (CEA) ha introdotto un metodo di simulazione che promette nuove intuizioni sul nucleo terrestre e di conseguenza il suo campo magnetico: il metodo simula non solo il comportamento degli atomi, ma anche le proprietà magnetiche dei materiali.
L’approccio è significativo per la geofisica, ma potrebbe anche supportare lo sviluppo di future tecnologie come il calcolo neuromorfico, un approccio innovativo per sistemi di intelligenza artificiale (AI) più efficienti; questo, di conseguenza, potrebbe essere utile non solo per il campo magnetico terrestre.
Il team presenta i suoi risultati nella rivista PNAS.
Il campo magnetico della Terra e il perché della sua importanza
Il campo magnetico terrestre è essenziale per sostenere la vita, in quanto protegge il pianeta dalle radiazioni cosmiche e dal vento solare. Esso è generato dall’effetto geodinamo. “Sappiamo che il nucleo della Terra è composto principalmente da ferro“, spiega Attila Cangi, responsabile del dipartimento di Machine Learning for Materials Design presso il CASUS. “Man mano che ci si avvicina al nucleo terrestre, sia la temperatura che la pressione aumentano.“
Attila Cangi riguardo il campo magnetico della Terra ha poi aggiunto: “L’aumento della temperatura provoca la fusione dei materiali, mentre l’aumento della pressione li mantiene solidi. A causa delle specifiche condizioni di temperatura e pressione all’interno della Terra, il nucleo esterno è in stato liquido, mentre il nucleo interno rimane solido.” Il ferro liquido, carico elettricamente, fluisce attorno al nucleo interno solido, spinto dalla rotazione della Terra e dalle correnti di convezione e questi movimenti producono correnti elettriche, che, a loro volta, generano il campo magnetico del pianeta.
Tuttavia, rimangono ancora domande importanti sul nucleo terrestre e sul suo campo magnetico, ad esempio: qual è la struttura esatta del suo nucleo? E quale ruolo svolgono gli elementi aggiuntivi, che si pensa siano presenti insieme al ferro? Entrambi i fattori potrebbero influenzare profondamente l’effetto geodinamo.
Alcuni indizi provengono da esperimenti in cui gli scienziati inviano onde sismiche attraverso la Terra e misurano i loro “eco” con sensori altamente sensibili. “Questi esperimenti suggeriscono che il nucleo contenga più di solo ferro“, afferma Svetoslav Nikolov dei Sandia National Laboratories, autore principale dello studio. “Le misurazioni non corrispondono alle simulazioni al computer che assumono un nucleo di ferro puro.”
Simulazione delle onde d’urto al computer
Il team di ricerca che studia il campo magnetico della Terra ha ora ottenuto progressi significativi sviluppando e testando un nuovo metodo di simulazione; l’innovazione principale del metodo chiamato dinamica molecolare del spin risiede nell’integrazione di due approcci di simulazione precedentemente separati: la dinamica molecolare, che modella il movimento degli atomi, e la dinamica dello spin, che tiene conto delle proprietà magnetiche.
“Combinando questi due metodi, siamo riusciti a studiare l’influenza del magnetismo in condizioni di alta pressione e alta temperatura su scale di lunghezza e tempo che prima erano irraggiungibili“, sottolinea il fisico del CEA, Julien Tranchida; iparticolare, il team ha simulato il comportamento di due milioni di atomi di ferro e dei loro spin per analizzare l’interazione dinamica tra le proprietà meccaniche e magnetiche.
Il curioso ruolo dell’intelligenza artificiale sul campo magnetico della Terra
I ricercatori hanno anche utilizzato l’intelligenza artificiale (AI), impiegando l’apprendimento automatico per determinare i campi di forza, cioè le interazioni tra gli atomi, con alta precisione e lo sviluppo e l’addestramento di questi modelli ha richiesto risorse di calcolo ad alte prestazioni.
Una volta pronti i modelli, i ricercatori hanno eseguito le simulazioni vere e proprie: il modello digitale di due milioni di atomi di ferro, rappresentativi del nucleo terrestre, è stato sottoposto alle condizioni di temperatura e pressione presenti all’interno della Terra e ciò è stato fatto propagando onde di pressione attraverso gli atomi di ferro, simulando il loro riscaldamento e compressione; quando la velocità di queste onde d’urto era più bassa, il ferro rimaneva solido e assumeva strutture cristalline differenti.
Quando le onde d’urto erano più veloci, il ferro diventava principalmente liquido. In particolare, i ricercatori hanno scoperto che gli effetti magnetici influenzano significativamente le proprietà del materiale. “Le nostre simulazioni corrispondono bene ai dati sperimentali“, afferma Mitchell Wood, scienziato dei materiali presso i Sandia National Laboratories, “e suggeriscono che, sotto certe condizioni di temperatura e pressione, una particolare fase del ferro potrebbe stabilizzarsi e influenzare potenzialmente la geodinamo.”
Questa fase, conosciuta come fase bcc, non è stata osservata sperimentalmente nel ferro sotto queste condizioni, ma è stata solo ipotizzata. Se confermato, il risultato del metodo di dinamica molecolare dello spin potrebbe aiutare a risolvere diverse questioni sull’effetto geodinamo.
Sostenere l’intelligenza artificiale a basso consumo energetico
Oltre a svelare nuovi dettagli sull’interno della Terra, il metodo ha anche il potenziale per guidare innovazioni tecnologiche nella scienza dei materiali; sia nel suo dipartimento che attraverso collaborazioni esterne, Cangi intende utilizzare questa tecnica per modellare dispositivi di calcolo neuromorfico.
Questo è un nuovo tipo di hardware ispirato al funzionamento del cervello umano, che potrebbe un giorno elaborare algoritmi di intelligenza artificiale in modo più rapido ed efficiente in termini di consumo energetico e replicando digitalmente i sistemi neuromorfici basati sullo spin, il nuovo metodo di simulazione potrebbe supportare lo sviluppo di soluzioni hardware innovative ed efficienti per l’apprendimento automatico.
Lo stoccaggio dei dati offre una seconda interessante possibilità di ricerca: i domini magnetici lungo minuscole nanoviti potrebbero servire come supporti di memorizzazione più veloci ed efficienti dal punto di vista energetico rispetto alle tecnologie convenzionali. “Attualmente non esistono metodi di simulazione precisi per entrambe le applicazioni,” afferma Cangi. “Ma sono fiducioso che il nostro nuovo approccio possa modellare i processi fisici necessari in modo così realistico da poter accelerare significativamente lo sviluppo tecnologico di queste innovazioni IT.”
