Machine-learning-identified two-dimensional van der Waals multiferroics for four-state nonvolatile memory
मशीन लर्निंग स्क्रीनिंग को प्रथम-सिद्धांत गणनाओं (first-principles calculations) के साथ संयोजित करके, यह अध्ययन AuCrPS मोनोलेयर को एक आशाजनक 2D वैन डेर वाल्स मल्टीफेरोइक उम्मीदवार के रूप में पहचानता है जो बल्क फोटोवोल्टिक प्रभाव के माध्यम से इसके फेरोइलेक्ट्रिक ध्रुवीकरण और फेरोमैग्नेटिक क्रम के अंतर्निहित युग्मन द्वारा गैर-विनाशकारी चार-अवस्था वाले नॉन-वोलेटाइल मेमोरी को सक्षम बनाता है।
मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें
कल्पना कीजिए कि आप एक अति-उन्नत, अत्यंत सघन पुस्तकालय बनाने की कोशिश कर रहे हैं जहाँ हर एक किताब का आकार एक एकल परमाणु के बराबर है। इस पुस्तकालय में, आप केवल "हाँ" या "नहीं" (0 या 1) ही नहीं संग्रहीत करना चाहते; आप एक साथ चार अलग-अलग अवस्थाओं (00, 01, 10, 11) को संग्रहीत करना चाहते ताकि उसी नन्हे स्थान में दोगुना अधिक जानकारी समाहित की जा सके।
ऐसा करने के लिए, इस शोध पत्र के वैज्ञानिकों ने एक विशेष प्रकार की "जादुई सामग्री" की तलाश की जिसमें दो सुपरपावर एक साथ हों:
- विद्युत स्विचिंग (Electric Switching): यह अपने विद्युत आवेश की दिशा को बदल सकती है (एक चुंबक की तरह, लेकिन बिजली के लिए)।
- चुंबकीय स्विचिंग (Magnetic Switching): यह अपनी चुंबकीय दिशा को बदल सकती है।
आमतौर पर, ऐसी सामग्री खोजना जो इन दोनों गुणों को एक साथ रखती हो, एक काल्पनिक जीव (यूनिकॉर्न) को खोजने जैसा है; वे अविश्वसनीय रूप से दुर्लभ हैं क्योंकि वे भौतिकी के नियम जो बिजली को स्विच करते हैं, अक्सर उन नियमों के खिलाफ जाते हैं जो चुंबकत्व को काम करने देते हैं।
खोज: एक डिजिटल जासूसी कहानी
चूंकि ये सामग्रियां इतनी दुर्लभ हैं, इसलिए शोधकर्ताओं ने केवल अनुमान नहीं लगाया। उन्होंने हजारों संभावित रासायनिक संयोजनों को छानने के लिए एक मशीन लर्निंग "जासूस" का उपयोग किया।
इस रासायनिक दुनिया को एक विशाल, अस्त-व्यस्त अटारी के रूप में सोचें जिसमें लाखों बक्से भरे हुए हैं। अधिकांश बक्सों में या तो खालीपन है या कचरा है (ऐसी सामग्रियां जिन्हें बनाया नहीं जा सकता)। कुछ बक्सों में "खजाना" (बनाई जा सकने वाली सामग्रियां) छिपा है। समस्या यह है कि जासूस के पास केवल कुछ ज्ञात खजानों की सूची है, लेकिन कचरे की कोई सूची नहीं है।
इसे हल करने के लिए, टीम ने अपने AI को एक विशेष ट्रिक सिखाई जिसे "PU-Bagging" कहा जाता है। अज्ञात बक्सों के हर समूह को कचरा मान लेने के बजाय, AI "क्या होगा अगर?" का खेल खेलता है। यह कल्पना करता है कि अज्ञात बक्सों के विभिन्न समूह कचरा हैं, फिर खुद को प्रशिक्षित करता है, और फिर अपने सभी अनुमानों को मिलाकर एक विश्वास स्कोर (confidence score) बनाता है। यह सौ अलग-अलग जासूसों से अटारी की ओर देखने और इस पर वोट देने के बारे में पूछने जैसा है कि कौन से बक्सों में खजाना होने की सबसे अधिक संभावना है।
उन्होंने ट्रांसफर लर्निंग (Transfer Learning) का भी उपयोग किया, जो AI को पहले 3D इमारतों (बल्क क्रिस्टल) को पहचानना सिखाने और फिर उसे पहले से सीखी गई बातों के आधार पर 2D "सपाट परतों" (मोनोलेयर्स) को पहचानना सिखाने जैसा है। इसने उन्हें सर्वोत्तम उम्मीदवारों को खोजने में मदद की, भले ही 2D सामग्रियों पर डेटा बहुत कम था।
खोज: गोल्ड-क्रिस्टल-सल्फर शीट
AI द्वारा सूची को सीमित करने के बाद, शोधकर्ताओं ने शीर्ष उम्मीदवारों का अनुकरण (simulate) करने के लिए सुपर-कंप्यूटरों का उपयोग किया। उन्हें एक विजेता मिला: सोना (Au), क्रोमियम (Cr), फास्फोरस (P) और सल्फर (S) से बनी परमाणुओं की एक एकल परत।
इस सामग्री को परमाणुओं से बनी एक छोटी, लचीली ट्रैम्पोलिन (trampoline) के रूप में सोचें:
- चुंबकत्व: क्रोमियम परमाणु छोटे कंपास सुइयों की तरह कार्य करते हैं जो सभी एक ही दिशा में संकेत करते हैं।
- बिजली: सोने के परमाणु इस ट्रैम्पोलिन पर ऊपर और नीचे फिसल सकते हैं। जब वे एक तरफ फिसलते हैं, तो सामग्री ऊपर से विद्युत रूप से धनात्मक (positive) और नीचे से ऋणात्मक (negative) हो जाती है। जब वे दूसरी ओर फिसलते हैं, तो यह पलट जाती है।
- स्थिरता: सोने के परमाणु आसानी से आगे-पीछे (एक लाइट स्विच की तरह) घूम सकते हैं, लेकिन एक बार छोड़ने पर वे अपनी जगह पर टिके रहते हैं (नॉन-वोलेटाइल मेमोरी)।
पढ़ने की तकनीक: "प्रकाश की चमक" (The Light Flash)
इन मेमोरी उपकरणों के साथ सबसे बड़ी समस्या आमतौर पर डेटा को बिना नष्ट किए कैसे पढ़ा जाए, यह होती है। पारंपरिक तरीके अक्सर सामग्री पर प्रहार करते हैं, जिससे डेटा को पढ़ने से पहले ही वह मिट जाता है।
शोधकर्ताओं ने डेटा को पढ़ने के लिए प्रकाश का उपयोग करने का एक चतुर तरीका खोजा, विशेष रूप से बल्क फोटोवोल्टिक प्रभाव (Bulk Photovoltaic Effect - BPVE) नामक घटना का उपयोग करके। कल्पना कीजिए कि आप सामग्री पर टॉर्च की रोशनी डाल रहे हैं:
- विद्युत संकेत: इस आधार पर कि सोने के परमाणु किस दिशा में स्थानांतरित हुए हैं (विद्युत अवस्था), प्रकाश इलेक्ट्रॉनों को या तो बाएं (Left) या दाएं (Right) प्रवाहित करेगा। यह विद्युत बिट के "0" या "1" को बताता है।
- चुंबकीय संकेत: चूंकि सामग्री चुंबकीय है, इसलिए यह एक क्लब के बाउंसर की तरह कार्य करती है। यह केवल विशिष्ट "स्पिन" (एक क्वांटम गुण, जैसे एक छोटा टॉप घड़ी की दिशा में या विपरीत दिशा में घूमना) वाले इलेक्ट्रॉनों को ही गुजरने देती है। यदि चुंबकीय क्षेत्र एक तरफ है, तो केवल "घड़ी की दिशा (clockwise)" वाले इलेक्ट्रॉन प्रवाहित होंगे। यदि यह पलट जाता है, तो केवल "घड़ी की विपरीत दिशा (counter-clockwise)" वाले इलेक्ट्रॉन प्रवाहित होंगे।
परिणाम: एक चार-अवस्था वाली मेमोरी सेल
इन दोनों संकेतों को जोड़कर, यह सामग्री एक एकल परमाणु परत में चार अलग-अलग अवस्थाओं को संग्रहीत कर सकती है:
- अवस्था 00: विद्युत बायां + घड़ी की दिशा वाला स्पिन
- अवस्था 01: विद्युत बायां + घड़ी की विपरीत दिशा वाला स्पिन
- अवस्था 10: विद्युत दायां + घड़ी की दिशा वाला स्पिन
- अवस्था 11: विद्युत दायां + घड़ी की विपरीत दिशा वाला स्पिन
वैज्ञानिक एक ऐसे उपकरण का प्रस्ताव करते हैं जहाँ आप विद्युत या चुंबकीय स्विच को बदलकर डेटा लिखते हैं, और इसे प्रकाश चमकाकर और करंट की दिशा तथा स्पिन के प्रकार को मापकर पढ़ते हैं। यह एक नॉन-डिस्ट्रक्टिव रीडआउट (non-destructive readout) की अनुमति देता है, जिसका अर्थ है कि आप डेटा को मिटाए बिना उसे चेक कर सकते हैं।
संक्षेप में, यह शोध पत्र एक नए प्रकार के कंप्यूटर मेमोरी के ब्लूप्रिंट को प्रस्तुत करता है जो वर्तमान तकनीक की तुलना में दोगुना सघन है, जिसे एक स्मार्ट AI जासूस द्वारा खोजा गया है, और एक चतुर प्रकाश-आधारित तकनीक से पढ़ा जा सकता है।
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