Машинное обучение помогло рассчитать фазовую диаграмму жидкого водорода

Химики использовали машинное обучение, чтобы рассчитать термодинамические параметры перехода жидкого водорода из диэлектрического в металлическое состояние. Для обучения потенциалов, с помощью которых рассчитывали эти параметры, использовали результаты расчетов электронной плотности обычными методами квантовой химии. Исследование опубликовано в Nature.

В состав газовых гигантов и коричневых карликов входит жидкий водород, который при высоких давлениях и температурах приобретает свойства металлического проводника. Понимание перехода водорода из диэлектрика в металлическое состояние очень важно для моделирования структуры и эволюции гигантов вроде Юпитера, Сатурна и многих экзопланет. Согласно стандартным моделям таких планет, этот переход — резкий и сопровождается заметным изменением в плотности, поэтому граница между внутренней металлической мантией и внешней диэлектрической мантией должна быть достаточно четкой.

Технические сложности проведения экспериментов по изучению перехода в экстремальных условиях приводят исследователей к разным результатам, поэтому расчетные методы для изучения этого процесса особенно необходимы. Однако и они имеют свои ограничения из-за учета не всех эффектов. Чем больше учтено параметров системы, тем точнее расчеты, но выше их стоимость и продолжительность.

Бинцин Чена (Bingqing Cheng) с коллегами из Кембриджского университета рассчитали параметры фазовой диаграммы водорода с помощью методов машинного обучения. Они создали три набора потенциалов, обученных на результатах расчетов поверхностей потенциальных энергий и межатомных сил, полученных методами функционала электронной плотности и вариационном квази-Монте Карло. На основе рассчитанных энергий авторы создали молекулярно-динамические симуляции процесса перехода из диэлектрического в металлическое состояние в широком диапазоне температур и воссоздали плавление и полиморфизм твердой фазы.

Потенциал мог правильно определять основные состояния кристаллов в диапазоне давлений от 100 до 400 гигапаскалей. Точность предсказаний кристаллических структур демонстрирует возможности использования созданных потенциалов для поиска неизвестных кристаллических структур.

Симуляции процесса указали на то, что в жидком водороде переход из молекулярной формы в атомную происходит не скачком, а плавно. Это означает, что в газовых гигантах граница между диэлектрическим и металлическим слоями плавная, а различия в экспериментальных данных можно объяснить поведением водорода как сверхкритической жидкости.

Три года назад американские физики сообщили о том, что синтезировали металлический водород, однако исследование вызвало у некоторых ученых вопросы.

Алина Кротова