凭借机器学习技术,伊利诺伊大学香槟分校(University of Illinois Urbana-Champaign)的研究人员预测到了一种新的高压固态氢相,揭示了氢在极端条件下的行为及类木行星如木星和土星的组成。

氢是宇宙中最丰富的元素,在外太空的大部分灰尘和星星核心,以及地球上很多物质中都有。对物理学教授David Ceperley来说,这足以成为研究氢的理由,但它的单个原子也是最简单的元素,只有一个质子和一个电子,这使它成为制定和测试物质的理论的自然起点。

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Ceperley和他的合作者开发了一种机器学习技术,以简化这一任务,可以使用前所未有的大量原子进行量子力学模拟。他们报告说,他们的方法发现了过往的理论和实验都忽略的一种新型高压固态氢。

“机器学习教会了我们很多,” Ceperley说。 “我们以前的模拟一直见到新的行为迹象,但我们不能信任它们,因为我们只能容纳少量的原子。通过我们的机器学习模型,我们可以充分利用最准确的方法看到实际情况是什么。”

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氢原子形成一个量子力学系统,但即便在计算机上,捕捉它们的完整量子行为也非常困难。先进的技术,如量子蒙特卡罗(QMC),可以适当地模拟数百个原子,而理解大规模相行为需要模拟长时间内数千个原子。

为了使QMC更加多功能,两名前研究生和一名博士后研究助理开发了一种机器学习模型,透过这种模型,QMC模拟可以容纳比QMC本身多得多的原子。然后,他们与Markus Holzmann和Carlo Pierleoni合作一起利用这个模型预测高温下形成的固态相。

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他们在调查不同温度和压力来形成完整图像时,注意到固态相中有一些异常。虽然固态氢中的分子通常都是接近球形的,并形成称为六方紧密堆积的配置,但研究人员观察到分子变成了椭圆形,Ceperley将其描述为类似鹅蛋的形状。

为了验证他们的结果,研究人员用密度泛函理论的数据培训了他们的机器学

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作者 刘军

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