Metode simulasi baru mengungkapkan wawasan tentang inti bumi dan menjanjikan kemajuan dalam komputasi neuromorfik kecerdasan buatan.
Bagaimana Bumi Menghasilkan Medan Magnetnya? Meskipun para ilmuwan memahami proses dasar di balik medan magnet bumi, banyak detail yang masih belum jelas. Sebuah tim peneliti dari Center for Advanced Systems Understanding (CASUS) di Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), Laboratorium Nasional Sandia di Amerika Serikat, dan Komisi Energi Atom dan Energi Alternatif Perancis (CEA) telah mengembangkan metode simulasi inovatif untuk mengeksplorasi inti bumi dengan lebih akurat.
Metode ini tidak hanya memodelkan perilaku atom tetapi juga sifat magnetik material dalam kondisi ekstrim. Pendekatan mereka dapat memajukan penelitian geofisika secara signifikan sekaligus membuka jalan bagi inovasi teknologi seperti komputasi neuromorfik – bidang mutakhir yang bertujuan untuk menciptakan sistem AI yang lebih hemat energi.
Temuan tim dipublikasikan pada 12 Desember di jurnal PNAS.
Perisai Magnetik Bumi: Cara Kerjanya dan Yang Masih Belum Kita Ketahui
Medan magnet bumi sangat penting bagi kehidupan, melindungi planet ini dari radiasi kosmik dan angin matahari yang berbahaya. Perisai ini didukung oleh efek geodinamo, yang didorong oleh pergerakan besi cair di dalam inti bumi.
“Kita tahu bahwa inti bumi sebagian besar terdiri dari besi,” jelas Attila Cangi, Kepala Departemen Pembelajaran Mesin untuk Desain Material di CASUS. “Saat Anda semakin dekat dengan inti bumi, suhu dan tekanan meningkat. Peningkatan suhu menyebabkan bahan meleleh, sedangkan peningkatan tekanan membuat bahan tetap padat. Karena kondisi suhu dan tekanan tertentu di dalam bumi, inti luar berada dalam keadaan cair, sedangkan inti dalam tetap padat.”
Karena bermuatan listrik, besi cair mengalir di sekitar inti karena rotasi bumi dan arus konveksi, menghasilkan arus listrik, menciptakan medan magnet yang menyelimuti planet.
Terlepas dari pemahaman dasar ini, masih banyak detail yang belum terselesaikan. Para ilmuwan masih menyelidiki struktur inti bumi dan peran unsur-unsur selain besi, yang dapat berdampak pada efek geodinamo. Eksperimen seismik memberikan petunjuk: peneliti mengirimkan gelombang kejut ke seluruh Bumi dan mengukur gemanya dengan sensor sensitif.
“Eksperimen ini menunjukkan bahwa intinya mengandung lebih dari sekedar zat besi,” kata Svetoslav Nikolov dari Sandia National Laboratories, penulis utama studi tersebut. “Pengukuran tersebut tidak sesuai dengan simulasi komputer yang mengasumsikan inti besi murni.”
Simulasi Gelombang Kejut di Komputer
Tim peneliti kini mencapai kemajuan signifikan dengan mengembangkan dan menguji metode simulasi baru. Inovasi utama dari metode yang disebut dinamika putaran molekul terletak pada integrasi dua pendekatan simulasi yang sebelumnya terpisah: dinamika molekuler, yang memodelkan gerakan atom, dan dinamika putaran, yang menjelaskan sifat magnetik.
“Dengan menggabungkan kedua metode ini, kami dapat menyelidiki pengaruh magnetisme dalam kondisi tekanan tinggi dan suhu tinggi pada skala panjang dan waktu yang sebelumnya tidak dapat dicapai,” tegas fisikawan CEA Julien Tranchida.
Secara khusus, tim mensimulasikan perilaku dua juta atom besi dan putarannya untuk menganalisis interaksi dinamis antara sifat mekanik dan magnetik. Para peneliti juga menggunakan kecerdasan buatan (AI). pembelajaran mesin untuk menentukan medan gaya — interaksi antar atom — dengan presisi tinggi. Mengembangkan dan melatih model ini memerlukan sumber daya komputasi berkinerja tinggi.
Setelah model siap, para peneliti melakukan simulasi sebenarnya: model digital dari dua juta atom besi, yang mewakili inti bumi, disesuaikan dengan kondisi suhu dan tekanan yang ditemukan di interior bumi. Hal ini dilakukan dengan menyebarkan gelombang tekanan melalui atom besi, mensimulasikan pemanasan dan kompresinya. Ketika kecepatan gelombang kejut ini lebih rendah, besi tetap padat dan mengadopsi struktur kristal yang berbeda. Ketika gelombang kejut lebih cepat, sebagian besar setrika menjadi cair. Secara khusus, para peneliti menemukan bahwa efek magnetis secara signifikan mempengaruhi sifat material.
“Simulasi kami sangat sesuai dengan data eksperimen,” kata Mitchell Wood, ilmuwan material di Sandia National Laboratories, “dan simulasi tersebut menunjukkan bahwa pada kondisi suhu dan tekanan tertentu, fase besi tertentu dapat stabil dan berpotensi mempengaruhi geodinamo.”
Fase ini, yang dikenal sebagai fase bcc, belum diamati secara eksperimental pada besi dalam kondisi ini, hanya berupa hipotesis. Jika dikonfirmasi, hasil metode dinamika putaran molekul dapat membantu menyelesaikan beberapa pertanyaan tentang efek geodinamo.
Mendorong AI yang Hemat Energi
Selain mengungkap detail baru tentang interior bumi, metode ini juga berpotensi mendorong inovasi teknologi dalam ilmu material. Baik di departemennya maupun melalui kolaborasi eksternal, Cangi berencana menggunakan teknik ini untuk memodelkan perangkat komputasi neuromorfik. Ini adalah jenis perangkat keras baru yang terinspirasi oleh cara kerja otak manusia, yang suatu hari nanti dapat memproses algoritme AI dengan lebih cepat dan lebih hemat energi. Dengan mereplikasi sistem neuromorfik berbasis putaran secara digital, metode simulasi baru dapat mendukung pengembangan solusi perangkat keras yang inovatif dan efisien untuk pembelajaran mesin.
Penyimpanan data menawarkan jalan menarik kedua untuk penelitian lebih lanjut: Domain magnetik di sepanjang kawat nano kecil dapat berfungsi sebagai media penyimpanan yang lebih cepat dan lebih hemat energi dibandingkan teknologi konvensional. “Saat ini belum ada metode simulasi yang akurat untuk kedua aplikasi tersebut,” kata Cangi. “Tetapi saya yakin bahwa pendekatan baru kami dapat memodelkan proses fisik yang diperlukan dengan cara yang realistis, sehingga kami dapat mempercepat perkembangan teknologi dari inovasi TI ini secara signifikan.”
Referensi: “Menyelidiki besi di inti bumi dengan dinamika putaran molekul” oleh Svetoslav Nikolov, Kushal Ramakrishna, Andrew Rohskopf, Mani Lokamani, Julien Tranchida, John Carpenter, Attila Cangi dan Mitchell A. Wood, 12 Desember 2024, Prosiding Akademi Ilmu Pengetahuan Nasional.
DOI: 10.1073/pnas.2408897121
