Mô phỏng với mô hình học máy dự đoán một giai đoạn mới của hydro rắn

Mô phỏng với mô hình học máy dự đoán một giai đoạn mới của hydro rắn

    Hydro, nguyên tố phổ biến nhất trong vũ trụ, được tìm thấy ở khắp mọi nơi từ bụi lấp đầy hầu hết không gian bên ngoài đến lõi của các ngôi sao cho đến nhiều chất ở đây trên Trái đất. Đây sẽ là lý do đủ để nghiên cứu hydro, nhưng các nguyên tử riêng lẻ của nó cũng là nguyên tố đơn giản nhất trong số các nguyên tố chỉ có một proton và một electron. Đối với David Ceperley, giáo sư vật lý tại Đại học Illinois Urbana-Champaign, điều này làm cho hydro trở thành điểm khởi đầu tự nhiên để xây dựng và thử nghiệm các lý thuyết về vật chất.

    Đưa hydro lên mặt đất rắn: Mô phỏng với mô hình máy học dự đoán một giai đoạn mới của hydro rắn

    Ceperley, cũng là thành viên của Trung tâm Công nghệ và Khoa học Thông tin Lượng tử Illinois, sử dụng mô phỏng máy tính để nghiên cứu cách các nguyên tử hydro tương tác và kết hợp để tạo thành các pha khác nhau của vật chất như chất rắn, chất lỏng và chất khí. Tuy nhiên, sự hiểu biết thực sự về những hiện tượng này đòi hỏi phải có cơ học lượng tử và các mô phỏng cơ học lượng tử rất tốn kém. Để đơn giản hóa nhiệm vụ, Ceperley và các cộng tác viên của ông đã phát triển một kỹ thuật học máy cho phép thực hiện các mô phỏng cơ học lượng tử với số lượng nguyên tử chưa từng có. Họ đã báo cáo trên tạp chí Physical Review Letters rằng phương pháp của họ đã tìm ra một loại hydro rắn áp suất cao mới mà các lý thuyết và thí nghiệm trước đây đã bỏ qua.

    Ceperley nói: “Hóa ra máy học đã dạy cho chúng tôi rất nhiều điều. "Chúng tôi đã thấy các dấu hiệu của hành vi mới trong các mô phỏng trước đây của mình, nhưng chúng tôi không tin tưởng chúng vì chúng tôi chỉ có thể chứa một số lượng nhỏ nguyên tử. Với mô hình học máy của mình, chúng tôi có thể tận dụng tối đa các phương pháp chính xác nhất và xem những gì thực sự đang diễn ra."

    Các nguyên tử hydro tạo thành một hệ cơ học lượng tử, nhưng việc nắm bắt toàn bộ hành vi lượng tử của chúng là rất khó ngay cả trên máy tính. Một kỹ thuật tiên tiến như lượng tử Monte Carlo (QMC) có thể mô phỏng hàng trăm nguyên tử một cách khả thi, trong khi việc hiểu các hành vi pha quy mô lớn đòi hỏi phải mô phỏng hàng nghìn nguyên tử trong thời gian dài.

    Để làm cho QMC trở nên linh hoạt hơn, hai cựu sinh viên tốt nghiệp, Hongwei Niu và Yubo Yang, đã phát triển một mô hình học máy được đào tạo bằng các mô phỏng QMC có khả năng chứa nhiều nguyên tử hơn so với chính QMC. Sau đó, họ sử dụng mô hình này cùng với cộng sự nghiên cứu sau tiến sĩ Scott Jensen để nghiên cứu cách pha rắn của hydro hình thành ở áp suất rất cao tan chảy.

    Ba người họ đang khảo sát các nhiệt độ và áp suất khác nhau để tạo thành một bức tranh hoàn chỉnh thì họ nhận thấy có điều gì đó bất thường trong pha rắn. Trong khi các phân tử trong hydro rắn thường có dạng gần giống hình cầu và tạo thành một cấu hình gọi là hình lục giác đóng gói chặt chẽ—Ceperley đã so sánh nó với các quả cam xếp chồng lên nhau—các nhà nghiên cứu đã quan sát thấy một giai đoạn trong đó các phân tử trở thành các hình thuôn dài—Ceperley mô tả chúng giống như quả trứng.

    Jensen nhớ lại: “Chúng tôi bắt đầu với mục tiêu không quá tham vọng là cải tiến lý thuyết về một thứ mà chúng tôi biết. "Thật không may, hoặc có lẽ may mắn thay, nó còn thú vị hơn thế. Có hành vi mới này xuất hiện. Trên thực tế, đó là hành vi chiếm ưu thế ở nhiệt độ và áp suất cao, điều mà lý thuyết cũ không có chút gợi ý nào."

    Để xác minh kết quả của họ, các nhà nghiên cứu đã huấn luyện mô hình học máy của họ bằng dữ liệu từ lý thuyết hàm mật độ, một kỹ thuật được sử dụng rộng rãi, kém chính xác hơn QMC nhưng có thể chứa nhiều nguyên tử hơn. Họ phát hiện ra rằng mô hình học máy đơn giản hóa đã tái tạo hoàn hảo các kết quả của lý thuyết tiêu chuẩn. Các nhà nghiên cứu kết luận rằng các mô phỏng QMC có sự hỗ trợ của máy học , quy mô lớn của họ có thể giải thích các hiệu ứng và đưa ra dự đoán mà các kỹ thuật tiêu chuẩn không thể làm được.

    Công việc này đã bắt đầu một cuộc trò chuyện giữa các cộng tác viên của Ceperley và một số nhà thực nghiệm. Các phép đo áp suất cao của hydro rất khó thực hiện nên kết quả thực nghiệm còn hạn chế. Dự đoán mới đã truyền cảm hứng cho một số nhóm xem xét lại vấn đề và khám phá cẩn thận hơn hành vi của hydro trong các điều kiện khắc nghiệt.

    Ceperley lưu ý rằng việc hiểu hydro dưới nhiệt độ và áp suất cao sẽ nâng cao hiểu biết của chúng ta về Sao Mộc và Sao Thổ, các hành tinh khí chủ yếu được tạo thành từ hydro. Jensen nói thêm rằng "sự đơn giản" của hydro làm cho chất này trở nên quan trọng để nghiên cứu. "Chúng tôi muốn hiểu mọi thứ, vì vậy chúng tôi nên bắt đầu với những hệ thống mà chúng tôi có thể tấn công," ông nói. "Hydrogen rất đơn giản, vì vậy thật đáng để biết rằng chúng ta có thể đối phó với nó."

    Zalo
    Hotline