.Princeton Scientists Discover Exotic Quantum Interference Effect in a Topological Insulator Device
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Princeton Scientists Discover Exotic Quantum Interference Effect in a Topological Insulator Device
프린스턴 과학자, 토폴로지 절연체 장치에서 특이한 양자 간섭 효과 발견
주제:프린스턴 대학교양자정보과학양자 물리학 프린스턴 대학교 2024년 3월 21일 전자의 국소 운동의 양자 간섭 대칭이 허용되는 샘플 힌지를 따라 전자의 위상 운동의 양자 간섭을 도식적으로 표현한 것입니다. 출처: Shafayat Hossain, 프린스턴 대학교
-Zahid Hasan 그룹의 박사후 연구원 새로운 연구는 양자 물리학 및 스핀트로닉스 분야의 발전 기회를 확대합니다. 새로운 실험에서 물리학자들은 위상 절연체 기반 장치에서 Aharonov-Bohm 간섭으로 인한 장거리 양자 일관성 효과를 관찰했습니다. 이 발견은 위상 양자 물리학 및 공학의 미래 발전을 위한 새로운 가능성의 영역을 열어줍니다. 이 발견은 또한 스핀 기반 전자 장치의 개발에 영향을 미칠 수 있으며, 이는 잠재적으로 더 높은 에너지 효율성을 위해 일부 현재 전자 시스템을 대체할 수 있고 양자 정보 과학을 탐구하기 위한 새로운 플랫폼을 제공할 수 있습니다.
Nature Physics 에 발표된 이 연구는 프린스턴에서 15년 이상 연구한 결과입니다. 이는 프린스턴 과학자들이 비스무트 브로마이드(α-Bi4Br4) 위상 절연체라고 불리는 양자 장치를 개발하고 이를 사용하여 양자 일관성을 조사하면서 탄생했습니다. 과학자들은 10년 넘게 새로운 양자 효과를 입증하기 위해 위상 절연체를 사용해 왔습니다. 프린스턴 팀은 실온에서의 효과를 입증한 이전 실험에서 비스무트 기반 절연체를 개발했습니다.
그러나 이 새로운 실험은 이러한 효과가 매우 장거리 양자 일관성과 상대적으로 높은 온도에서 관찰된 최초의 사례입니다. 응집성 양자 상태를 유도하고 관찰하려면 일반적으로 강한 자기장이 있는 경우에만 인위적으로 설계된 반도체 재료의 절대 영도 에 가까운 온도가 필요합니다. M. Zahid Hasan은 “우리의 실험은 토폴로지 힌지 모드에서 장거리 양자 일관성이 존재한다는 강력한 증거를 제공함으로써 토폴로지 회로 개발을 위한 새로운 길을 열 뿐만 아니라 이 토폴로지 방법을 사용하여 기본 물리학을 탐구하고 발전시킬 수 있습니다.”라고 말했습니다.
연구를 주도한 프린스턴 대학교 물리학과 유진 히긴스 교수 . "기존 전자 장치와 달리 토폴로지 회로는 결함과 불순물에 대해 견고하므로 에너지 손실이 훨씬 적으므로 친환경 응용 분야에 유리합니다." 물질과 일관성의 위상학적 상태 최근 몇 년 동안 물질의 위상학적 상태에 대한 연구는 물리학자와 엔지니어들 사이에서 상당한 관심을 끌었으며 현재 많은 국제적 관심과 연구의 초점이 되고 있습니다.
-이 연구 분야는 양자 물리학과 토폴로지를 결합합니다. 토폴로지는 변형될 수 있지만 본질적으로 변경되지는 않는 기하학적 특성을 탐구하는 이론 수학의 한 분야입니다. 양자 토폴로지의 신비를 조사하는 데 사용되는 주요 장치를 위상 절연체라고 합니다. 이는 내부에서 절연체 역할을 하는 독특한 장치입니다. 즉, 내부의 전자가 자유롭게 이동할 수 없으므로 전기가 전도되지 않습니다. 그러나 장치 가장자리의 전자는 자유롭게 움직일 수 있습니다. 이는 전도성이 있음을 의미합니다.
-더욱이 토폴로지의 특수한 특성으로 인해 가장자리를 따라 흐르는 전자는 결함이나 변형으로 인해 방해를 받지 않습니다. 특정 비스무트 기반 재료에서는 일부 모서리에 틈이 생기고 일부 힌지만 전도성을 유지하는 특수한 유형의 토폴로지도 가능합니다. 이러한 위상학적 물질로 만들어진 장치는 기술을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 새롭고 혁신적인 방식으로 양자 특성을 조사함으로써 물질 자체에 대한 더 큰 이해를 생성할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.
-그러나 지금까지 긴 응집 시간을 달성할 수 없다는 점은 기능성 장치에 응용하기 위해 재료를 사용하려는 탐구에서 주요 걸림돌이었습니다. 일관성은 열화 또는 기타 환경과의 상호 작용과 같은 파괴적인 영향에 직면하여 중첩 및 얽힘의 양자 상태를 유지하는 능력을 의미합니다. Hasan은 "토폴로지 물질에 많은 관심이 있고 사람들은 실제 응용에 대한 큰 잠재력에 대해 종종 이야기합니다"라고 Hasan은 말했습니다. "그러나 일부 거시적 양자 위상 효과가 입증될 때까지는 상대적으로 높은에서도 작동할 수 있는 긴 양자 일관성을 가질 수 있습니다. 온도에서는 이러한 적용이 실현되지 않을 가능성이 높습니다. 따라서 우리는 위상 전자의 장거리 양자 일관성을 나타내는 물질을 찾고 있습니다.”
현재 실험 Hasan의 팀은 거의 20년 동안 비스무트 기반 토폴로지 재료를 탐구해 왔습니다. 그러나 최근 연구팀은 2005년부터 연구해온 비스무트 기반 위상 절연체(Bi-Sb 합금 포함)에 비해 브롬화 비스무트 절연체가 더 이상적인 특성을 갖고 있다는 사실을 발견했다. 이는 200meV가 넘는 큰 절연 갭을 갖고 있다. (밀리전자볼트). 이는 열 잡음을 극복할 수 있을 만큼 크지만 스핀-궤도 결합 효과 및 밴드 반전 토폴로지를 방해하지 않을 만큼 작습니다. 비스무트 브로마이드 절연체는 표면이 절연되는 고차 효과를 나타내지만 일부 대칭이 지시하는 방향의 가장자리는 전도성을 유지하는 토폴로지 절연체 클래스에 속합니다. 이것은 취리히 대학의 공동 연구자이자 공동 저자인 Titus Neupert 그룹에 의해 최근 이론화된 힌지 상태라고 불립니다. “이론적으로는 보장되지 않았지만 수년간의 실험을 통해 우리는 비스무트 브로마이드의 힌지 상태가 상대적으로 높은 온도에서 매우 장거리 양자 일관성을 갖는다는 것을 발견했습니다.
이 경우, 우리가 제작한 장치를 기반으로 한 실험에서 스핀-궤도 결합 효과, 장거리 양자 일관성 및 열 변동 사이의 균형을 발견했습니다.”라고 Hasan은 말했습니다. “우리는 토폴로지 힌지 모드의 상대적으로 높은 수준의 양자 일관성을 가질 수 있을 뿐만 아니라 상대적으로 높은 온도에서 작동할 수 있는 '최적의 지점'이 있다는 것을 발견했습니다. 이는 우리가 거의 20년 동안 연구해 온 비스무트 기반 물질의 균형점과 같습니다.”
연구진은 주사 터널링 현미경을 사용하여 토폴로지 시스템에 고유하게 존재하는 중요한 특성 중 하나인 명확한 양자 스핀 홀 가장자리 상태를 관찰했습니다. 이를 위해서는 토폴로지 효과를 고유하게 분리하기 위한 추가적인 새로운 계측이 필요했습니다. 비스무트는 이러한 양자 상태를 갖고 있지만 물질 자체는 절연 에너지 갭이 없는 반금속입니다. 비스무트의 수송 채널에는 벌크 상태와 힌지 상태 모두의 전자가 포함되어 있기 때문에 이는 전자 수송에서의 결과를 탐구하는 것을 어렵게 만듭니다.
그들은 힌지 상태의 응집성 양자 전달 신호를 혼합하고 흐리게 만듭니다. 더 큰 문제는 원자가 격렬하게 진동하기 시작하는 온도 상승으로 정의되는 물리학자들이 "열 소음"이라고 부르는 현상으로 인해 발생합니다. 이 작업은 섬세한 양자 시스템을 방해하여 양자 상태를 붕괴시킬 수 있습니다. 특히 토폴로지 절연체에서 이러한 높은 온도는 절연체 표면의 전자가 절연체의 내부 또는 "벌크"를 침범하고 그곳의 전자도 전도를 시작하여 희석되거나 파손되는 상황을 만듭니다. 특수 양자 효과. 열 변동은 또한 전자의 양자 위상 일관성을 파괴합니다. 그러나 연구팀이 개발한 비스무트 브로마이드 절연체는 이 문제와 다른 문제를 우회할 수 있었습니다. 그들은 이 장치를 사용하여 토폴로지 힌지 모드를 통한 양자 응집성 전송을 시연했습니다.
양자 일관성 전송의 특징은 Aharonov-Bohm 양자 간섭의 발현입니다. 거의 60년 전에 예측된 Aharonov-Bohm 간섭(물리학자 David Bohm은 1947년부터 1951년까지 프린스턴에 있었습니다)은 양자 파동이 두 개의 파동으로 나뉘어 닫힌 경로를 돌며 전자기의 영향으로 간섭하는 현상을 설명합니다.
잠재적인. 결과적인 간섭 패턴은 파동에 의해 둘러싸인 자속에 의해 결정됩니다. 전자의 경우, 전도 전자가 닫힌 궤적을 완성한 후 위상 응집성을 유지하면 이러한 양자 간섭이 발생하여 자기장의 특성 주기 ΔB = Φ 0 /S(여기서 Φ 0) 를 갖는 전기 저항의 주기적인 진동이 발생합니다. = h/e는 플럭스 양자, S는 전자 궤적이 위상 일관성을 유지하는 영역, h는 플랑크 상수, e는 전자 전하입니다. 위상 전도 채널의 경우 양자 간섭에 참여하는 모든 위상 일관성 궤적은 B 필드에 수직인 동일한 영역을 포함하며 이는 보편적 전도도 변동과 다릅니다.
여기서 그들은 위상 일관성 캐리어에서 발생하는 Aharonov-Bohm 효과의 특징인 B 주기 진동을 보여주는 α-Bi4Br4 샘플의 자기 저항 추적을 제시합니다. “처음으로 우리는 상대적으로 높은 온도까지 살아남을 수 있는 높은 수준의 양자 일관성을 가질 수 있는 일종의 비스무트 기반 위상 전자 장치가 있음을 시연했습니다. 이는 위상 일관성 위상에서 발생하는 Aharonov-Bohm 간섭 효과 때문입니다. 전자라고 Hasan이 말했습니다.
이번 발견의 토폴로지적 뿌리는 1985년 노벨 물리학상의 주제였던 토폴로지 효과의 한 형태인 양자 홀 효과의 작용에 있습니다. 그 이후로 토폴로지 단계가 집중적으로 연구되었습니다. 토폴로지 절연체, 토폴로지 초전도체, 토폴로지 자석 및 Weyl 반금속을 포함하여 토폴로지 전자 구조를 갖는 많은 새로운 종류의 양자 재료가 발견되었습니다. 실험적, 이론적 발견이 모두 계속되었습니다.
프린스턴 대학교 전기 공학 명예 교수인 Daniel Tsui는 분수 양자 홀 효과를 발견한 공로로 1998년 노벨 물리학상을 수상했으며, 프린스턴 대학교 물리학과 Eugene Higgins 교수인 F. Duncan Haldane은 2016년 노벨 물리학상을 수상했습니다. 토폴로지 상전이와 2차원(2D) 토폴로지 절연체 유형에 대한 이론적 발견으로 물리학 박사 학위를 취득했습니다. 후속 이론적 개발은 위상 절연체가 전자의 스핀-궤도 상호 작용을 기반으로 하는 Haldane 모델의 두 복사본 형태를 취할 수 있음을 보여주었습니다.
Hasan과 그의 팀은 2007년에 3차원 위상 절연체의 첫 번째 사례를 발견한 이후 상대적으로 높은 온도에서 높은 수준의 양자 일관성을 보존할 수도 있는 위상학적 양자 상태를 찾기 위해 10년 동안 노력해 왔습니다. 최근 , 그들은 실온에서 작동할 수 있고 원하는 양자화도 나타내는 토폴로지 물질에서 Haldane의 추측에 대한 해결책을 찾았습니다. Hasan은 “1차 원리 이론과 결합된 적합한 원자 화학 및 구조 설계는 긴 양자 일관성을 유지하기 위한 장치 설정에서 위상 절연체의 추측적 예측을 현실적으로 만드는 중요한 단계입니다.”라고 말했습니다. “Bi 기반 토폴로지 재료가 많이 있으며 장치 설정에서 심층 탐구를 위한 올바른 재료를 찾으려면 직관, 경험, 재료별 계산 및 강렬한 실험적 노력이 모두 필요합니다.
그리고 우리는 결국 효과가 있는 것으로 보이는 일부 비스무트 기반 물질을 조사하는 데 10년 간의 여정을 시작했습니다.” 양자 재료에 대한 시사점 Hasan 연구실의 박사후 연구원이자 이번 연구의 공동 저자인 Shafayat Hossain은 “우리는 이 발견이 양자 공학 및 나노기술의 미래 발전의 출발점이 될 수 있다고 믿습니다.”라고 말했습니다. “토폴로지 양자 과학 및 엔지니어링 기술에는 많은 제안된 가능성이 기다리고 있으며, 새로운 계측과 결합된 긴 양자 일관성 특성을 가진 적절한 재료를 찾는 것이 이에 대한 핵심 중 하나입니다. 그리고 그것이 우리가 달성한 것입니다.” Hasan은 “전자가 튀지 않거나 흔들리지 않으면 에너지를 잃지 않습니다.”라고 말했습니다.
“이것은 훨씬 적은 전력을 소비하기 때문에 에너지 절약 또는 친환경 기술을 위한 양자 기반을 만듭니다. 하지만 아직 멀었습니다.” 현재 Hasan 팀의 이론적, 실험적 초점은 두 가지 방향으로 집중되어 있다고 Hasan은 말했습니다. 첫째, 연구자들은 어떤 다른 토폴로지 물질이 유사하거나 더 높은 수준의 양자 일관성을 나타낼 수 있는지 확인하고, 중요한 것은 다른 과학자에게 더 높은 온도에서 작동할 이러한 물질을 식별할 수 있는 도구와 새로운 계측 방법을 제공하기를 원합니다. 둘째, 연구원들은 양자 세계를 더 깊이 조사하고 장치 설정에서 새로운 물리학을 검색하기를 원합니다.
이러한 연구에서는 이러한 경이로운 재료의 엄청난 잠재력을 완전히 활용하기 위해 또 다른 일련의 새로운 장비 기술 및 위상학적 장치의 개발이 필요합니다. 논문의 공동 저자이자 프린스턴 재료 연구소 교수인 Nan Yao는 “고차 위상 절연체에 대한 이번 연구는 다음과 같은 자연의 새로운 측면을 발견하는 것의 아름다움과 중요성을 보여줍니다. 위상적 경첩 상태의 양자 일관성”이라고 프린스턴 이미징 분석 센터 소장인 Yao가 말했습니다. “양자 장치의 흥미로운 발전으로 이어질 가능성이 있는 발견이며, '우리가 경험할 수 있는 가장 아름다운 것은 신비로움이다'라는 아인슈타인의 유명한 말이 생각납니다. 그것은 모든 진정한 예술과 과학의 원천이다.'”
참고 자료: Md Shafayat Hossain, Qi Zhang, Zhiwei Wang, Nikhil Dhale, Wenhao Liu, Maksim Litskevich, Brian Casas, Nana Shumiya, Jia-Xin Yin, Tyler A. Cochran, Yongkai Li, "위상 힌지 모드의 양자 수송 반응" Yu-Xiao Jiang, Yuqi Zhang, Guangming Cheng, Zi-Jia Cheng, Xian P. Yang, Nan Yao, Titus Neupert, Luis Balicas, Yugui Yao, Bing Lv 및 M. Zahid Hasan, 2024년 2월 20일, Nature Physics . DOI: 10.1038/s41567-024-02388-1 팀에는 Md Shafayat Hossain, Qi Zhang, Maksim Litskevich, Nana Shumiya, Jia-Xin Yin, Tyler A. Cochran, Yu-Xiao Jiang을 포함하여 프린스턴 물리학과 및 프린스턴 재료 과학 기술 연구소의 여러 연구원이 포함되었습니다. , Guangming Cheng, Zi-Jia Cheng, Xian P. Yang, Nan Yao 및 M. Zahid Hasan. 추가 연구자로는 베이징 공과대학의 Qi Zhang과 베이징 공과대학 및 중국과학원 소속인 Yongkai Li, Ying Yang, Yugui Yao가 있습니다. Nikhil Dhale, Wenhao Liu 및 Bing Lv는 달라스에 있는 텍사스 대학교 출신이고 Brian Casas와 Luis Balicas는 플로리다 주 탤러해시에 있는 국립 고자기장 연구소 출신입니다. Titus Neupert는 스위스 취리히 소재 취리히 대학교 물리학과 출신입니다. 프린스턴에서의 작업에 대한 주요 지원은 미국 에너지부(DOE) 과학국, 국립 양자 정보 과학 연구 센터, 양자 과학 센터(ORNL) 및 프린스턴 대학교에서 이루어집니다. STM 계측 및 이론 작업에 대한 추가 지원은 Gordon and Betty Moore Foundation(GBMF9461)에서 제공되었습니다. 또한 ARPES를 포함한 이론 및 샘플 특성화 작업을 위해 기본 에너지 과학 프로그램(승인 번호 DOE/BES DE-FG-02-05ER46200)에 따라 미국 DOE에서 지원을 제공했습니다. 추가 지원은 백서에 보고되어 있습니다.
메모 240322_0134,0424 나의 사고실험 qpeoms 스토리텔링
양자 토폴로지를 qpeoms로 비유하면 흩어져 있는 로고나 직소 퍼즐조각들이다. 그들이 모여서 완성된 그림은 qpeoms이지만 흩어져 있는 현재의 위치에서도 완성된 그림과 잠재적인 위상이 연결돼 있다. 원상회복의 개념은 위상적 기억을 바탕으로 하면 본질(퍼즐의 완성체, magic-square)은 변하지 않는다.허허.
이는 msbase의 숫자더미가 흩어져 있다고 해도 마찬가지이다. 위상적인 msbase는 별이 먼지나 가스로 파괴되어 흩어진 모습이다. 이를 topology.msbase(tms)이라 부를 수 있다. 본향 msbase형체의 기억을 담은 흩어진 조각들의 잠재적인 연결의 선들이 위상적 msbase이다. 빅뱅사건이 완성된 msbase이고 퍼즐 완성체이면 흩어진 조각들이 시공간이다. 일종에 토폴로지 우주 시공간이다. 그러나 빅뱅 한곳에서 완성체는 모이게 되어 msbase.oss가 탄생한다. 새로운 우주가 무수히 존재하는 다중우주 세계가 보인다. 허허.
프로이드의 꿈의 해석은 실제했던 경험이나 생각들이 잠재의식에서 '기억의 변형으로 나타났다'고 가정한다. 그것이 기억을 품은 조각들의 위상적인 msbase 현실의 실체이다. 허허. 이를 매우 유사하게 보여주는 것이 *보기1. edge-oms이다.
.양자 토폴로지의 신비를 조사하는 데 사용되는 주요 장치를 위상 절연체라고 한다. 이는 내부에서 절연체 역할을 하는 독특한 장치이다. 즉, 내부의 전자가 자유롭게 이동할 수 없으므로 전기가 전도되지 않는다.
ㅡ꿈속에서 기억들이 자유롭지 않다. 토폴로지 라인의 가장자리만 기억한다. 가장자리에서만 존재하는 edge.msbase가 있다. 가운데는 void.image가 차지하고 있다.
*보기1.edge.4oms
0010-edge.topology.memory.electron.line
0100-위와 상동
0000_void.기억나지 않는 곳, 관측되지 않는 곳이다.
0000-위와 상동, 암흑물질이나 암흑에너지가 있는 곳일듯..
0001-edge
1000-위와 상동
.그러나 장치 가장자리의 전자는 자유롭게 움직일 수 있다. 이는 전도성이 있음을 의미한다. 더욱이 토폴로지의 특수한 특성으로 인해 가장자리를 따라 흐르는 전자는 결함이나 변형으로 인해 방해를 받지 않는다.
ㅡ가장자리의 edge.4oms 전자(1)은 빈공간을 가진 원 주위를 회전하듯 +x,+y, -x,-y에 1의 방향 전도성 흐름의 값을 가진다. 그러나 회전이나 멈춤에 방해받지 않는다. 꿈의 이미지나 부서진 퍼즐의 조각들이 자유로운 것과 유사하다. 하지만 늘 가장자리 틀에 갇혀있어야 한다. 허허.
-This field of study combines quantum physics and topology. Topology is a branch of theoretical mathematics that explores geometric properties that can be transformed but do not essentially change. The main device used to probe the mysteries of quantum topology is called a topological insulator. This is a unique device that acts as an insulator on the inside. That is, the electrons inside cannot move freely, so electricity is not conducted. However, the electrons at the edge of the device are free to move. This means it is conductive.
-Moreover, due to the special properties of the topology, electrons flowing along the edges are not hindered by defects or deformations. In certain bismuth-based materials, special types of topologies are also possible where some edges are gapped and only some hinges remain conductive. Devices made from these topological materials have the potential to not only advance technology, but also generate greater understanding of the materials themselves by probing their quantum properties in new and innovative ways.
-However, the inability to achieve long cohesion times has so far been a major stumbling block in the quest to use the material for applications in functional devices. Coherence refers to the ability to maintain quantum states of superposition and entanglement in the face of destructive influences such as thermalization or other interactions with the environment. “There is a lot of interest in topological materials, and people often talk about their great potential for real-world applications,” Hasan said. "However, until some macroscopic quantum phase effects are demonstrated, it is possible to have long-range quantum coherence that can work even at relatively high temperatures. At such temperatures, such applications are likely not feasible. Therefore, we are looking at long-range quantum coherence of topological electrons. “We are looking for a substance that represents something.”
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Memo 2403220134
If we compare quantum topology to qpeoms, they are scattered logos or jigsaw puzzle pieces. The picture that was completed when they gathered together is qpeoms, but even in the current scattered locations, the completed picture and potential status are connected. If the concept of restoration is based on topological memory, the essence (the completed puzzle, magic-square) does not change. Hehe.
This is true even if the number pile in msbase is scattered. The topological msbase is a star that has been destroyed and scattered into dust or gas. This can be called topology.msbase(tms). The lines of potential connection between the scattered pieces containing memories of the original msbase form are the topological msbase. If the Big Bang event is the completed msbase and the complete puzzle, the scattered pieces are space and time. It is a kind of topological space-time. However, the complete body comes together in one big bang and msbase.oss is born. I see a multiverse world where countless new universes exist. haha.
Freud's dream interpretation assumes that actual experiences or thoughts 'appeared as transformations of memories' in the subconscious. That is the substance of the topological msbase reality of pieces containing memories. haha. *Example 1 shows this very similarly. It is edge-oms.
.The main device used to probe the mysteries of quantum topology is called a topological insulator. This is a unique device that acts as an insulator on the inside. In other words, electricity is not conducted because the electrons inside cannot move freely.
-In dreams, memories are not free. Only the edges of the topology line are remembered. There is an edge.msbase that exists only at the edge. The middle is occupied by void.image.
*View1.edge.4oms
0010-edge.topology.memory.electron.line
0100-Same as above
0000_void. A place that cannot be remembered, a place that cannot be observed.
0000-Same as above, seems to be a place where dark matter or dark energy is located.
0001-edge
1000-Same as above
.However, the electrons at the edge of the device can move freely. This means that it is conductive. Moreover, due to the special properties of the topology, electrons flowing along the edge are not hindered by defects or deformations.
ㅡEdge of the edge.4oms Electron (1) has a conductive flow value of 1 in +x,+y, -x,-y as if rotating around a circle with empty space. However, it is not disturbed by rotation or stopping. It is similar to the freedom of dream images or broken pieces of a puzzle. But you must always be confined to the edge. haha.
.Team proposes using AI to reconstruct particle paths leading to new physics by Polish Academy of Sciences
팀은 AI를 사용하여 새로운 물리학으로 이어지는 입자 경로를 재구성할 것을 제안합니다
폴란드 과학 아카데미 MUonE 감지기 내부 충돌 중에 기록된 히트를 기반으로 2차 입자의 트랙을 재구성하는 원리. 후속 타겟은 금색으로 표시되고 실리콘 감지기 레이어는 파란색으로 표시됩니다. 크레딧: IFJ PAN MARCH 21, 2024
가속기에서 충돌하는 입자는 수많은 2차 입자 폭포를 생성합니다. 감지기에서 발생하는 눈사태 신호를 처리하는 전자 장치는 이벤트가 나중에 분석할 수 있도록 저장하기에 충분한지 여부를 평가하는 데 몇 분의 1초의 시간을 갖습니다. 가까운 미래에 이 까다로운 작업은 AI 기반 알고리즘을 사용하여 수행될 수 있으며, 이 알고리즘의 개발에는 PAS 핵 물리학 연구소의 과학자들이 참여합니다.
전자공학은 핵물리학에서 결코 쉬운 삶을 누리지 못했습니다 . 세계에서 가장 강력한 가속기인 대형 강입자 충돌기(Large Hadron Collider)에서 들어오는 데이터가 너무 많아서 모든 것을 기록하는 것은 결코 선택 사항이 아니었습니다. 따라서 탐지기에서 나오는 신호의 파동을 처리하는 시스템은 망각에 특화되어 있습니다. 즉, 2차 입자의 흔적을 몇 분의 1초 만에 재구성하고 방금 관찰한 충돌을 무시할 수 있는지 또는 추가 분석을 위해 저장할 가치가 있는지 평가합니다.
그러나 입자 트랙을 재구성하는 현재 방법으로는 곧 더 이상 충분하지 않게 됩니다. 폴란드 크라쿠프에 있는 폴란드 과학원 핵물리학 연구소(IFJ PAN)의 과학자들이 컴퓨터 과학(Computer Science ) 에 발표한 연구 에 따르면 인공 지능을 사용하여 제작된 도구는 입자의 신속한 재구성을 위한 현재 방법에 대한 효과적인 대안이 될 수 있습니다. 트랙. 이들의 첫 등장은 향후 2~3년 내에 이루어질 수 있으며, 아마도 새로운 물리학 탐색을 지원하는 MUonE 실험에서 이루어질 것입니다.
현대 고에너지 물리학 실험에서 충돌 지점에서 발산하는 입자는 감지기의 연속적인 층을 통과하여 각 층에 약간의 에너지를 축적합니다. 실제로 이는 검출기가 10개의 층으로 구성되어 있고 2차 입자가 모든 층을 통과하는 경우 10개의 지점을 기준으로 경로를 재구성해야 함을 의미합니다. 이 작업은 겉으로는 간단해 보입니다. "일반적으로 감지기 내부에는 자기장이 있습니다 .
대전 입자는 곡선을 따라 그 안에서 움직이며, 이는 또한 우리가 전문 용어로 적중이라고 부르는 감지기 요소가 활성화된 감지기 요소가 서로에 대해 위치하게 되는 방식이기도 합니다."라고 설명합니다. Marcin Kucharczyk 교수(IFJ PAN). "실제로 소위 탐지기의 점유, 즉 탐지기 요소당 적중 횟수가 매우 높을 수 있으며, 이는 입자의 추적을 올바르게 재구성하려고 할 때 많은 문제를 야기합니다. 특히, 입자의 추적을 재구성하는 것은 서로 가까이 있는 것은 상당히 문제가 됩니다."
-새로운 물리학을 찾기 위해 고안된 실험은 이전보다 더 높은 에너지에서 입자를 충돌하게 되며, 이는 각 충돌에서 더 많은 2차 입자가 생성된다는 것을 의미합니다. 광선의 광도도 더 높아야 하며, 이는 단위 시간당 충돌 횟수도 증가하게 됩니다. 이러한 조건에서는 입자 추적을 재구성하는 고전적인 방법으로는 더 이상 대처할 수 없습니다. 특정 보편적인 패턴을 신속하게 인식해야 하는 경우 탁월한 성능을 발휘하는 인공 지능이 도움을 줄 수 있습니다.
-"저희가 설계한 인공지능은 심층형 신경망 입니다 . 20개의 뉴런으로 구성된 입력층, 각각 1,000개의 뉴런으로 구성된 4개의 은닉층, 8개의 뉴런으로 구성된 출력층으로 구성됩니다. 각 층의 모든 뉴런은 연결되어 있습니다. 이웃 계층의 모든 뉴런에 연결됩니다. 네트워크에는 전체적으로 200만 개의 구성 매개변수가 있으며 그 값은 학습 과정에서 설정됩니다."라고 Milosz Zdybal 박사(IFJ PAN)는 말합니다.
이렇게 준비된 심층 신경망은 40,000번의 시뮬레이션된 입자 충돌과 인위적으로 생성된 소음을 사용하여 훈련되었습니다. 테스트 단계에서는 적중 정보만 네트워크에 공급되었습니다. 이는 컴퓨터 시뮬레이션 에서 파생되었기 때문에 원인 입자의 원래 궤적을 정확하게 알고 인공 지능이 제공한 재구성과 비교할 수 있었습니다. 이를 바탕으로 인공지능은 입자 트랙을 올바르게 재구성하는 방법을 학습했습니다.
-"우리 논문에서 우리는 적절하게 준비된 데이터베이스에서 훈련된 심층 신경망이 기존 알고리즘만큼 정확하게 2차 입자 추적을 재구성할 수 있음을 보여줍니다. 이는 탐지 기술 개발에 매우 중요한 결과입니다. 심층 신경망을 훈련하는 동안 네트워크는 시간이 많이 걸리고 계산이 많이 필요한 프로세스이므로 훈련된 네트워크는 즉각적으로 반응합니다. 이 작업도 만족스러운 정밀도로 수행되므로 실제 충돌이 발생할 경우 이를 사용하는 것에 대해 낙관적으로 생각할 수 있습니다."라고 Kucharczyk 교수는 강조합니다.
IFJ PAN의 인공 지능이 자신을 증명할 기회를 가질 수 있는 가장 가까운 실험은 MUonE(MUon ON 전자 탄성 산란)입니다. 이것은 뮤온(전자와 약 200배 더 무거운 입자)과 관련된 특정 물리량의 측정된 값과 표준 모델(즉, 우주를 설명하는 데 사용되는 모델)의 예측 사이의 흥미로운 불일치를 조사합니다. 기본 입자). 미국 가속기 센터인 Fermilab에서 수행된 측정 결과, 소위 뮤온의 변칙 자기 모멘트가 최대 4.2 표준 편차(시그마라고 함)의 확실성을 지닌 표준 모델의 예측과 다르다는 것을 보여줍니다. 한편, 물리학에서는 99.99995%의 확실성에 해당하는 5 시그마 이상의 유의성을 발견을 발표하는 데 허용되는 값으로 간주합니다.
-표준 모델 예측의 정밀도가 향상될 수 있다면 새로운 물리학을 나타내는 불일치의 중요성이 크게 높아질 수 있습니다. 그러나 뮤온의 변칙적인 자기 모멘트를 더 잘 결정하려면 하드론 보정이라고 알려진 매개변수의 더 정확한 값을 알아야 합니다. 불행하게도 이 매개변수의 수학적 계산은 불가능합니다. 이 시점에서 MUonE 실험의 역할이 명확해집니다. 여기에서 과학자들은 탄소나 베릴륨과 같이 원자 번호가 낮은 원자의 전자에 대한 뮤온의 산란을 연구할 계획입니다.
결과를 통해 하드론 교정에 직접적으로 의존하는 특정 물리적 매개변수를 보다 정확하게 결정할 수 있습니다. 모든 것이 물리학자들의 계획대로 진행된다면, 이렇게 결정된 하드론 보정은 뮤온 변칙적 자기 모멘트의 이론적 값과 측정된 값 사이의 불일치를 최대 7 시그마까지 측정하는 신뢰도를 높여줄 것이며, 지금까지 알려지지 않은 물리학의 존재도 측정할 수 있을 것입니다. 현실이 될 수도 있습니다.
MUonE 실험은 이르면 내년 초 유럽의 CERN 핵시설에서 시작될 예정이지만 목표 단계는 2027년으로 계획됐다. 아마도 크라카우 물리학자들은 자신들이 만든 인공지능이 그 일을 할 수 있을지 지켜볼 기회를 갖게 될 것이다. 입자 트랙을 재구성하는 작업입니다. 실제 실험 조건에서 그 효과가 확인되면 입자 탐지 기술의 새로운 시대가 시작될 수 있습니다.
추가 정보: Miłosz Zdybał 외, MUonE 실험을 위한 기계 학습 기반 재구성, 컴퓨터 과학 (2024). DOI: 10.7494/csci.2024.25.1.5690
https://phys.org/news/2024-03-team-ai-reconstruct-particle-paths.html
메모 2403221022 나의 사고실험 qpeoms 스토리텔링
새로운 물리학을 찾기 위해 천문학적 CERN의 Large Hadron Collider (LHC)이나 LIGO의 qoms 양자 중첩을 이용한 msbase.oss.qms.qvixer 샘플은 이전보다 더 높은 초신성이나 빅뱅급 에너지에서 입자를 충돌하게 되며, 이는 각 충돌에서 더 많은 신규 입자의 생성에 인공지능에게 필요한 빅데이타가 제공되어 확실한 패턴와 미세한 msbase 배열의 차이점을 찾아낼 것이다. 허허.
superwild.IFJ PAN의 인공 지능이 자신을 증명할 기회를 가질 수 있는 가장 가까운 실험은 기본 입자 MUonE(MUon ON 전자 탄성 산란)이다. 이것은 뮤온(전자와 약 200배 더 무거운 입자)과 관련된 특정 물리량의 측정된 값과 표준 모델(즉, 우주를 설명하는 데 사용되는 모델)의 예측 사이의 흥미로운 불일치를 조사한다. 허허.
-Experiments designed to discover new physics have particles colliding at higher energies than ever before, which means more secondary particles are created in each collision. The luminosity of the beam must also be higher, which also increases the number of collisions per unit time. Under these conditions, classical methods of reconstructing particle traces can no longer cope. When you need to quickly recognize certain common patterns, high-performing artificial intelligence can help.
-"The artificial intelligence we designed is a deep neural network. It consists of an input layer of 20 neurons, 4 hidden layers of 1,000 neurons each, and an output layer of 8 neurons. All neurons in each layer are connected. It is connected to every neuron in the neighboring layer. In total, the network has two million configuration parameters, the values of which are set during the learning process," says Dr. Milosz Zdybal (IFJ PAN).
-IFJ The closest experiment where PAN's artificial intelligence will have a chance to prove itself is MUonE (MUon ON Electroelastic Scattering). It investigates interesting discrepancies between measured values of certain physical quantities associated with muons (particles about 200 times heavier than electrons) and predictions from the Standard Model (i.e. the model used to describe the universe). elementary particles). Measurements performed at the American accelerator center Fermilab show that the so-called anomalous magnetic moment of the muon differs from the predictions of the Standard Model with a certainty of up to 4.2 standard deviations (called sigma). Meanwhile, in physics, a significance of 5 sigma or higher, equivalent to 99.99995% certainty, is considered an acceptable value for announcing a discovery.
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Memo 2403221022 My thought experiment qpeoms storytelling
To discover new physics, astronomical CERN's Large Hadron Collider (LHC) or LIGO's qoms quantum superposition msbase.oss.qms.qvixer samples colliding particles at higher supernova or Big Bang-level energies than before, which means each collision The big data needed for artificial intelligence to generate more new particles will be provided to find clear patterns and subtle differences in msbase arrays. haha.
superwild.IFJ The closest experiment where PAN's artificial intelligence will have a chance to prove itself is the elementary particle MUonE (MUon ON electroelastic scattering). It investigates interesting discrepancies between measured values of certain physical quantities associated with muons (particles about 200 times heavier than electrons) and predictions from the Standard Model (i.e. the model used to describe the universe). haha.
Sample oms.vix.a (standard2)
2401030806
vix.a'6//vixx.a(b1,g3,k3,o5,n6)
b0acfd0000e0
000ac0f00bde
0c0fab000e0d
e00d0c0b0fa0
f000e0b0dac0
d0f000cae0b0
0b000f0ead0c
0deb00ac000f
ced0ba00f000
a0b00e0dc0f0
0ace00df000b
0f00d0e0bc0a
sample qoms (standard)
0000000011=2,0
0000001100
0000001100
0000010010
0001100000
0101000000
0010010000
0100100000
2000000000
0010000001
sample pms (standard)
q0000000000
00q00000000
0000q000000
000000q0000
00000000q00
0000000000q
0q000000000
000q0000000
00000q00000
0000000q000
000000000q0
Sample oss.base (standard)
zxdxybzyz
zxdzxezxz
xxbyyxzz
zybzzfxzy
cadccbcdc
cdbdcbdbb
xzezxdyyx
zxezybzyy
bddbcbdca
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