Физики обнаружили странную новую теоретическую фазу водорода

Обучив машину нескольким квантовым трюкам, физики обнаружили странную новую фазу водорода в твердой форме. Хотя это пока чисто теоретическое открытие, оно может помочь нам лучше понять поведение материи, начиная с мельчайших масштабов и заканчивая внутренней механикой крупнейших планет во Вселенной.

Эта новая фаза твердого водорода, открытая международным команда исследователей проследила за моделью молекул водорода в экстремальных условиях: используя аналогию с едой, их форма трансформировалась из сфер, сложенных стопкой, как груда апельсинов, в нечто, больше напоминающее яйца.

Для получения водорода обычно требуется очень много низких температурах и очень высоких давлениях для образования твердого тела. Именно благодаря новому исследованию этого фазового перехода с помощью машинного обучения ученые обнаружили новую молекулярную структуру.

«Мы начали с не слишком амбициозной цели уточнения теории чего-то, о чем мы знаем», — говорит физик Скотт Дженсен из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне.

«К сожалению, а может быть, к счастью, это было гораздо интереснее. Появилось это новое поведение. На самом деле, это было доминирующее поведение при высоких температурах и давлениях, на что не было и намека в более старая теория».

Значительную роль в исследовании сыграл обновленный алгоритм машинного обучения: он смог смоделировать действия тысяч атомов, а не сотен, которыми ограничиваются многие исследования квантовых явлений.

Исследователи использовали усовершенствованную версию метода, известного как метод квантового Монте-Карло (КМК): по сути, он использует случайную выборку и математику вероятностей, чтобы выяснить, как большие группы атомов ведут себя в массе, группы, которые быть слишком сложным для изучения в реальном эксперименте.

Второй вычислительный метод — способный лучше обрабатывать большее количество атомов, но менее точный — был затем использован для проверки результатов. Поскольку результаты совпали, можно предположить, что усовершенствованный метод QMC работает так, как предполагалось.

«Машинное обучение, как оказалось, многому нас научило», — говорит физик Дэвид Сеперли из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн. «Мы видели признаки нового поведения в наших предыдущих симуляциях, но не доверяли им, потому что могли разместить только небольшое количество атомов».

«С нашей моделью машинного обучения мы могли полностью пользуйтесь самыми точными методами и смотрите, что происходит на самом деле».

Проще говоря, компонент машинного обучения повысил точность и объем симуляций, которые могли выполнять ученые, используя существующие данные и предыдущие симуляции, чтобы сделать будущее более точные в своих оценках.

Водород не только самый распространенный элемент во Вселенной, но и самый простой с точки зрения отдельных атомов: один протон и один электрон. Это означает, что новые открытия, связанные с водородом, могут повлиять практически на все остальное в физике.

Пока еще слишком рано знать, что означает эта новая фаза твердого водорода, и требуется больше экспериментов и моделирования, чтобы изучить ее более подробно. близко. Однако изучение наполненных водородом планет, таких как Юпитер и Сатурн, — лишь одна из областей, где это дополнительное понимание может быть полезным.

«Мы хотим понять все, поэтому мы должны начать с систем, которые мы можем атаковать, — говорит Сеперли. «Водород прост, поэтому стоит знать, что мы можем с ним справиться».

Исследование опубликовано в Physical Review Letters.