Машинное обучение улучшает рентгенографию нанотекстур

Используя комбинацию мощных рентгеновских лучей, алгоритмов поиска фазы и машинного обучения, исследователи из Корнелла выявили сложные нанотекстуры в тонкопленочных материалах, предлагая ученым новый, упрощенный подход к анализу потенциальных кандидатов для квантовых вычислений и микроэлектроники, среди других приложений.

Ученых особенно интересуют нанотекстуры, которые распределены неравномерно по всей тонкой пленке, потому что они могут придать материалу новые свойства. Наиболее эффективным способом изучения нанотекстур является их непосредственная визуализация, что обычно требует сложной электронной микроскопии и не позволяет сохранить образец.

Новый метод визуализации, подробно описанный 6 июля в Proceedings of the National Academy of Sciences, преодолевает эти проблемы, используя фазовый поиск и машинное обучение для преобразования традиционно собранных данных рентгеновской дифракции - таких, которые были получены на высокоэнергетическом синхротронном источнике Cornell, где были собраны данные для исследования, — в визуализацию материала в реальном пространстве на наноуровне.

Использование дифракции рентгеновских лучей делает метод более доступным для ученых и позволяет визуализировать большую часть образца, сказал Андрей Сингер, доцент кафедры материаловедения и инженерии.

Визуализация большой площади важна, потому что она отражает истинное состояние материала", - сказал Сингер. "Нанотекстура, измеренная локальным зондом, может зависеть от выбора места зондирования".

Еще одним преимуществом нового метода является то, что он не требует разделения образца на части, что позволяет проводить динамическое исследование тонких пленок, например, подсвечивать их светом, чтобы увидеть, как эволюционируют структуры.

"Этот метод может быть легко применен для изучения динамики in-situ или operando", - сказал Шао. "Например, мы планируем использовать метод для изучения того, как структура изменяется в течение пикосекунд после возбуждения короткими лазерными импульсами, что может привести к появлению новых концепций для будущих терагерцовых технологий".

Метод был протестирован на двух тонких пленках, первая из которых имела известную нанотекстуру, используемую для подтверждения результатов визуализации. При тестировании второй тонкой пленки — изолятора Мотта, физика которого связана со сверхпроводимостью, — исследователи обнаружили новый тип морфологии, который ранее не наблюдался в материале — вызванный деформацией нанопаттерн, который образуется самопроизвольно при охлаждении до криогенных температур.

"Изображения извлекаются без предварительного знания, - сказал Шао, - что потенциально устанавливает новые ориентиры и информирует о новых физических гипотезах при моделировании фазового поля, моделировании молекулярной динамики и квантово-механических вычислениях".