订婚戒指中的钻石、神奇材料石墨烯和普通铅笔中的铅都是由碳制成的，但表现出截然不同的特性。诸如此类的碳材料是最著名的例子之一，说明仅基于原子结构的重新排列，材料就可以呈现出多种特性。

位于日本埼玉县的RIKEN新兴物质科学中心(CEMS)的目标是开发用于新型节能技术的材料。合成新材料的常用方法包括寻求改进的性能，例如强度和耐用性，或增强的电和热传导。

但CEMS正在开创一种替代方法，颠覆了标准方法。首先，我们考虑新设备所需的属性，使用RIKEN新存储库和模拟平台中的数据来计算提供这些功能的原子结构，然后构建定制材料。

可持续小

CEMS正在努力缩小电子产品的尺寸，但工程师在缩小尺寸方面遇到了许多限制。例如，您可能会看到“电感器”，这是智能手机等设备中的标准组件。这些线圈通过将电流存储为磁场能量来控制电路中的电流。

乍一看，物理学家可能认为可以通过减小线圈的尺寸来使电感器变得更小，但这会降低其存储能量的能力。

几年前，CEMS的物理学家想到了一个创新的解决方案。他们意识到某些奇异磁性材料的特殊特性可以模仿电感器，而不需要电线。该特征与所有电子固有的量子特性有关，称为“自旋”，它使电子在指向特定方向的不可见轴上转动。

在普通磁铁中，电子自旋沿一个方向排列，产生磁效应。但CEMS物理学家对旋磁体很感兴趣，旋磁体是一组自然产生的材料，其中电子排列成螺旋状。

他们认为一些导电螺旋磁体可以模仿线圈，充当微型电感器：这个想法在2020年的CEMS实验中得到了证实。

虽然第一批研究的螺旋磁体只能在能源密集型超冷温度下工作，但CEMS研究人员与东京大学合作发现了一种可以在室温下工作的螺旋磁体。

然而，还有其他障碍需要克服。例如，螺旋磁体仅在兆赫兹以下工作，但手机等设备的工作频率在更高的千兆赫范围内。

磁记忆

CEMS正在研究的另一项微型扭曲技术可能有助于彻底改变电子设备中的内存存储。

它涉及斯格明子——电子的球形结，其旋转全部指向外侧，有点像卷曲的刺猬。这些结构非常稳定，因为它们只有在向系统输入额外能量时才会展开。

斯格明子的行为就像粒子一样，因为它们很容易在外部磁场的作用下移动并且很难被破坏。这使它们成为存储信息的有吸引力的工具，这些信息将被编码在斯格明子的位置。由于它们非常稳定，因此它们对于错误和内存损坏也具有很强的鲁棒性。

至关重要的是，它们也非常微小：一个斯格明子可以小于百分之一微米，这意味着您可以将10,000个斯格明子封装在仅1μm2(平方微米)的空间中，即人类头发宽度的十分之一到百分之一。

这将实现非常高密度的内存存储和更小的内存存储设备。

但是，再次出现了绊脚石。到目前为止，物理学家已经能够轻松地操纵电子结密度较低的材料中的斯格明子，但无法操纵他们最感兴趣的高密度结中的斯格明子。

一个主要的挫败之处在于，没有真正的策略来寻找合适的斯格明子承载材料。目前的方法是制造一种化合物，对其进行测量，看看它是否适合，如果不适合则制造另一种化合物。

通常，化学家通过调整熟悉材料的结构来发现新材料。然后，物理学家通过仔细测量它们的光学、电学、磁学、热学和机械特性，对它们产生的任何新特性进行分类。最后，工程师采用具有有用特性的材料并构建一个设备来利用它们。这都是反复试验。

更糟糕的是，科学家只倾向于向同行报告成功的尝试。这意味着不同的团队重复相同的错误会浪费大量的时间和资源。

CEMS正在建立一个新的数字平台，通过可从RIKEN内部访问的在线平台，系统地将实验室实验数据与超级计算机模拟相结合，从而提高这一过程的效率。目的是让科学家更容易地从他们需要的设备的愿景开始，然后逆向工作以创建符合他们要求的定制材料。

材料科学的未来之旅

当人类尝试为设备设计新颖的组件时，在实验室中可以使用的元素只有80种左右。但这80种元素的原子可以重新排列，以设计出几乎无限数量的新材料，这意味着研究这一问题需要大量的数据。

考虑到这一点，RIKEN的突发物质科学中心(CEMS)正在为推广“TRIP”或“RIKEN平台的变革性研究创新平台”做出贡献，这是一项RIKEN范围内的举措，旨在将RIKEN内的各种数据平台连接到开发新的科学范式。

CEMS通过一个存储库参与该计划，该存储库将从真实实验室实验中获得的知识与超级计算机对预测材料特性的模拟相结合。然后可以利用人工智能(AI)根据所需的特性来帮助设计有用的新材料，然后科学家可以合成这些材料。

CEMS副主任TakahisaArima表示，尽管该项目以物理学为基础，但其灵感却来自生物学。近年来，人工智能在正确预测蛋白质如何折叠方面取得了相当大的成功，这曾经是生物学家面临的最大的悬而未决的问题之一。“但是材料科学面临的挑战要困难得多，因为有更多的构建模块，”阿里马说。

展望未来，TRIP的目标是通过量子计算机(正在开发的机器有可能超越当今的超级计算机)进行模拟和预测来解决这些问题。“我们正在引领科学的数字化转型，”Arima说。

在成长过程中，有马有着截然不同的抱负。“我想成为一名气象学家并预测天气。但我在大学改变了主意，当时我意识到，在尝试预测(更不用说操纵)台风路径时，有多少复杂的因素在发挥作用，”他说。

“相比之下，凝聚态物理学提供了诱人的清晰度和控制力。材料特性非常多样化，但它们是由原子中电子和原子核的简单行为产生的。”他说，这与不断增强的计算能力相结合，意味着材料应该比我们想象的更快地改变我们的生活。

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