Квантовая физика — одна из самых сложных и загадочных областей науки, в которой по сей день остается множество нерешенных задач. Одной из таких было изучение фрустрированных магнитов — особых материалов, чьи магнитные взаимодействия настолько сложны и противоречивы, что не позволяют системе достичь упорядоченного состояния. Однако недавняя работа международной команды физиков и специалистов по машинному обучению позволила получить новые интересные данные об этих уникальных материалах.
Что это такое
Фрустрированные магниты представляют собой особые материалы, в которых магнитные моменты частиц (так называемые спины) взаимодействуют между собой таким образом, что не могут стабилизироваться в определенной конфигурации. Это похоже на ситуацию, когда три человека пытаются пожать друг другу руки одновременно, но каждый раз оказываются в неудобной позиции. В результате система остается в “фрустрированном” состоянии, не находя равновесия.
Такие материалы особенно интересны тем, что при охлаждении до экстремально низких температур они могут демонстрировать необычные квантовые свойства. Одним из таких состояний является спиновая жидкость — фаза вещества, в которой магнитные спины ведут себя как жидкость, непрерывно флуктуируя (колеблясь) даже при близких к абсолютному нулю температурах. Спиновая жидкость считается ключевым объектом для изучения, так как она может моделировать поведение квантовых частиц, что, в свою очередь, имеет важное значение для разработки квантовых компьютеров.
Проблема моделирования
Несмотря на огромный интерес к фрустрированным магнитам, их исследование сталкивается с серьезными трудностями. Моделирование поведения таких систем требует колоссальных вычислительных мощностей, а стандартные подходы часто оказываются бессильны перед сложностью задач. Особенно это касается состояний при сверхнизких температурах, когда спиновая жидкость переходит в новую, ранее неизвестную фазу.
“Мы уже предполагали, что в определенных материалах может возникать уникальная спиновая жидкость”, — рассказал профессор Ник Шэннон из Института науки и технологий Окинавы (Япония), — “Но, когда мы пытались понять, что с ней происходит при дальнейшем охлаждении, наши модели просто “спотыкались” — картина оставалась неясной”.
Роль искусственного интеллекта
Решение задачи стало возможным благодаря объединению усилий специалистов по квантовой физике и экспертов в области машинного обучения. Ученые разработали алгоритм, который анализировал данные, полученные в ходе симуляций, и искал скрытые закономерности, недоступные человеческому восприятию. ИИ не только выявил новые паттерны в поведении системы, но и предложил изменения в параметрах модели, которые позволили ученым “разогреть” систему в обратном направлении, то есть сделать более сложное моделирование состояния вещества при растущей температуре. Этот подход помог исследователям лучше понять, что происходит внутри материала при охлаждении и как спиновая жидкость переходит в новую фазу.
Результаты и перспективы
Работа, опубликованная в журнале Physical Review Research, открывает новые горизонты для изучения квантовых систем. Использование искусственного интеллекта позволило не только решить одну из сложнейших задач квантовой физики, но и продемонстрировать потенциал ИИ в фундаментальных научных исследованиях. С помощью нейросетей ученые смогли не только открыть и доказать существование новой фазы вещества, но и предсказать ее свойства и характеристики.
Ну а фрустрированные магниты, благодаря нашим новым знаниям о них, уже в ближайшем будущем вполне могут стать основой для создания новых материалов, способных эффективно моделировать квантовые процессы.
