Al enseñarle a una máquina a aprender algunos trucos cuánticos, los físicos descubrieron una nueva y extraña fase de hidrógeno en forma sólida. Si bien por ahora es puramente teórico, el descubrimiento podría ayudarnos a comprender mejor el comportamiento de la materia, desde las escalas más pequeñas hasta la mecánica interna de los planetas más grandes del Universo.
Esta nueva fase sólida de hidrógeno descubierta por un equipo internacional de investigadores siguió la presentación del modelo de moléculas de hidrógeno en condiciones extremas: para usar una analogía con los alimentos, su forma se transformó de esferas apiladas como una pila de naranjas en algo que se parecía más a los huevos. .
El hidrógeno normalmente requiere temperaturas muy bajas y presiones muy altas para formar un sólido. Fue a través de un nuevo estudio de aprendizaje automático de este cambio de fase específico que los científicos encontraron la nueva disposición molecular.
«Comenzamos con el objetivo no demasiado ambicioso de refinar la teoría a algo que conocemos», dice físico Scott Jensen de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign.
«Desafortunadamente, o quizás afortunadamente, fue más interesante que eso. Surgió este nuevo comportamiento. En realidad, era el comportamiento dominante a altas temperaturas y presiones, algo que la teoría anterior no insinuaba».
Un algoritmo de aprendizaje automático actualizado desempeñó un papel importante en la investigación: pudo modelar las acciones de miles de átomos, en lugar de los cientos a los que se limitan tantos estudios de fenómenos cuánticos.
Los investigadores utilizaron una versión mejorada de lo que se conoce como Montecarlo cuántico (QMC): Esencialmente, utiliza muestreo aleatorio y matemáticas de probabilidad para averiguar cómo se comportan en masa grandes grupos de átomos, grupos que serían muy difíciles de estudiar en un experimento real.
Luego se utilizó un segundo método computacional, más capaz de manejar más átomos, pero sin precisión, para verificar los resultados. Como se combinaron los hallazgos, sugiere que la técnica QMC mejorada está funcionando como se esperaba.
«El aprendizaje automático resultó enseñarnos mucho», dice físico David Ceperley de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign. «Vimos signos de un nuevo comportamiento en nuestras simulaciones anteriores, pero no confiamos en ellos porque solo podíamos acomodar una pequeña cantidad de átomos».
«Con nuestro modelo de aprendizaje automático, podemos aprovechar al máximo los métodos más precisos y ver lo que realmente sucede».
En pocas palabras, el componente de aprendizaje automático mejoró la precisión y el alcance de las simulaciones que los científicos podían ejecutar, utilizando datos existentes y simulaciones anteriores para hacer que las futuras sean más precisas en términos de estimaciones.
El hidrógeno no es solo el elemento más abundante en el Universo, también es el más simple en términos de átomos individuales: un protón y un electrón. Esto significa que los nuevos descubrimientos sobre el hidrógeno podrían afectar a casi todo en la física.
Por ahora, es demasiado pronto para saber qué significa esta nueva fase sólida de hidrógeno, y se necesita más experimentación y simulación para analizarla más de cerca. Sin embargo, estudiar planetas llenos de hidrógeno como Júpiter y Saturno es solo un área en la que este conocimiento adicional puede resultar útil.
«Queremos entender todo, por lo que debemos comenzar con los sistemas que podemos atacar». dice Ceperley. «El hidrógeno es simple, por lo que vale la pena saber que podemos manejarlo».
La investigación fue publicada en cartas de revisión física.
