Juni 2, 2023

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Physiker entdecken eine seltsame neue Theoriestufe für Wasserstoff: ScienceAlert

Indem sie einer Maschine beibrachten, einige Quantentricks zu lernen, haben Physiker eine seltsame neue Phase von Wasserstoff in fester Form entdeckt. Während diese Entdeckung vorerst rein theoretisch ist, könnte sie uns helfen, das Verhalten der Materie von den kleinsten Skalen bis hin zur inneren Mechanik der größten Planeten im Universum besser zu verstehen.

Diese neue Phase von festem Wasserstoff, die von einem internationalen Forscherteam entdeckt wurde, folgte der Demonstration von Wasserstoffmolekülen unter extremen Bedingungen durch das Modell: Um eine Lebensmittelanalogie zu verwenden, verwandelte sich ihre Form von Kugeln, die wie ein Stapel Orangen gestapelt waren, in etwas, das Eiern ähnelte.

Wasserstoff erfordert normalerweise sehr niedrige Temperaturen und sehr hohe Drücke Feste Form. Durch eine neue maschinelle Lernstudie zu diesem speziellen Phasenwechsel haben Wissenschaftler die neue molekulare Anordnung gefunden.

Standard- (links) und neue (rechts) Molekülmuster in festem Wasserstoff. (Wesley Moore)

„Wir begannen mit dem nicht so ehrgeizigen Ziel, die Theorie von etwas zu verfeinern, das wir wissen“, sagen Physiker Scott Jensen von der University of Illinois Urbana-Champaign.

„Leider, oder vielleicht zum Glück, war es interessanter als das. Da war die Entstehung dieses neuen Verhaltens. Tatsächlich war dies das vorherrschende Verhalten bei höheren Temperaturen und Drücken, etwas, auf das es in der alten Theorie keinen Hinweis gab.“

Der aktualisierte Algorithmus für maschinelles Lernen spielte eine wichtige Rolle in der Forschung: Er war in der Lage, die Aktionen von Tausenden von Atomen zu modellieren, anstatt Hunderte von zahlreichen Studien zu Quantenphänomenen.

Die Forscher verwendeten eine verbesserte Version dessen, was als bekannt ist Quantum Monte Carlo QMC-Technik: Im Grunde verwendet sie Zufallsstichproben und Wahrscheinlichkeitsmathematik, um zu sehen, wie sich große Gruppen von Atomen kollektiv verhalten, Gruppen, die in einem tatsächlichen Experiment schwer zu untersuchen sind.

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Eine zweite Berechnungsmethode – eine weitere, die mehr Atome verarbeiten kann, aber nicht über die erforderliche Präzision verfügt – wurde verwendet, um die Ergebnisse zu überprüfen. Da die Ergebnisse übereinstimmen, weisen sie darauf hin, dass die verbesserte QMC-Technologie wie vorgesehen funktioniert.

„Maschinelles Lernen lehrt uns viel“, sagen Physiker David Siberly von der University of Illinois Urbana-Champaign. „Wir hatten in früheren Simulationen Anzeichen für neues Verhalten gesehen, aber wir trauten ihnen nicht, weil wir nur eine kleine Anzahl von Atomen aufnehmen konnten.“

„Mit unserem maschinellen Lernmodell können wir die genauesten Methoden voll ausschöpfen und sehen, was wirklich vor sich geht.“

Einfach ausgedrückt, die maschinelle Lernkomponente hat die Genauigkeit und den Umfang der Simulationen verbessert, die Wissenschaftler ausführen können, indem vorhandene Daten und frühere Simulationen verwendet werden, um zukünftige Simulationen in Bezug auf ihre Schätzungen genauer zu machen.

Wasserstoff ist nicht nur das häufigste Element im Universum, sondern auch das einfachste von allen in Bezug auf seine einzelnen Atome: ein Proton und ein Elektron. Das bedeutet, dass neue Entdeckungen über Wasserstoff fast alles andere in der Physik beeinflussen könnten.

Im Moment ist es zu früh, um zu sagen, was diese neue Phase von festem Wasserstoff bedeutet, und es sind weitere Experimente und Simulationen erforderlich, um sie genauer zu untersuchen. Die Untersuchung von wasserstoffgefüllten Planeten wie Jupiter und Saturn ist jedoch nur ein Bereich, in dem dieses zusätzliche Verständnis nützlich sein könnte.

„Wir wollen alles verstehen, also müssen wir mit den Systemen beginnen, die wir angreifen können“, sagen Cyberly. „Wasserstoff ist einfach, also lohnt es sich zu wissen, dass wir damit umgehen können.“

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Forschung veröffentlicht in Physische Überprüfungsschreiben.