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O hidrogênio, o elemento mais abundante no universo, é encontrado em todos os lugares, desde a poeira que preenche a maior parte do espaço sideral até os núcleos das estrelas e muitas substâncias aqui na Terra. Isso seria motivo suficiente para estudar o hidrogênio, mas seus átomos individuais também são os mais simples de qualquer elemento com apenas um próton e um elétron. Para David Ceperley, professor de física da Universidade de Illinois Urbana-Champaign, isso torna o hidrogênio o ponto de partida natural para formular e testar teorias da matéria.
Ceperley, também membro do Illinois Quantum Information Science and Technology Center, usa simulações de computador para estudar como os átomos de hidrogênio interagem e se combinam para formar diferentes fases da matéria, como sólidos, líquidos e gases. No entanto, uma verdadeira compreensão desses fenômenos requer a mecânica quântica, e as simulações da mecânica quântica são caras. Para simplificar a tarefa, Ceperley e seus colaboradores desenvolveram uma técnica de aprendizado de máquina que permite realizar simulações de mecânica quântica com um número sem precedentes de átomos. Eles relataram em Cartas de revisão física que seu método encontrou um novo tipo de hidrogênio sólido de alta pressão que a teoria e os experimentos anteriores deixaram passar.
“O aprendizado de máquina acabou nos ensinando muito”, disse Ceperley. “Vimos sinais de novo comportamento em nossas simulações anteriores, mas não confiamos neles porque só podíamos acomodar um pequeno número de átomos. Com nosso modelo de aprendizado de máquina, pudemos aproveitar ao máximo os métodos mais precisos e ver o que está acontecendo. realmente acontecendo.”
Os átomos de hidrogênio formam um sistema de mecânica quântica, mas capturar todo o seu comportamento quântico é muito difícil, mesmo em computadores. Uma técnica de ponta como o Monte Carlo quântico (QMC) pode simular de forma viável centenas de átomos, enquanto a compreensão dos comportamentos de fase em larga escala requer a simulação de milhares de átomos durante longos períodos de tempo.
Para tornar o QMC mais versátil, dois ex-alunos de pós-graduação, Hongwei Niu e Yubo Yang, desenvolveram um modelo de aprendizado de máquina treinado com simulações do QMC capazes de acomodar muito mais átomos do que o próprio QMC. Eles então usaram o modelo com o pesquisador de pós-doutorado Scott Jensen para estudar como a fase sólida de hidrogênio que se forma em pressões muito altas derrete.
Os três estavam avaliando diferentes temperaturas e pressões para formar uma imagem completa quando notaram algo incomum na fase sólida. Enquanto as moléculas no hidrogênio sólido são normalmente quase esféricas e formam uma configuração chamada hexagonal compacta – Ceperley comparou com laranjas empilhadas – os pesquisadores observaram uma fase em que as moléculas se tornam figuras oblongas – Ceperley as descreveu como ovo- como.
“Começamos com o objetivo não muito ambicioso de refinar a teoria de algo que conhecemos”, lembrou Jensen. “Infelizmente, ou talvez felizmente, foi mais interessante do que isso. Havia esse novo comportamento aparecendo. Na verdade, era o comportamento dominante em altas temperaturas e pressões, algo que não havia indícios na teoria mais antiga.”
Para verificar seus resultados, os pesquisadores treinaram seu modelo de aprendizado de máquina com dados da teoria do funcional da densidade, uma técnica amplamente usada que é menos precisa que o QMC, mas pode acomodar muito mais átomos. Eles descobriram que o modelo simplificado de aprendizado de máquina reproduzia perfeitamente os resultados da teoria padrão. Os pesquisadores concluíram que suas simulações QMC em grande escala, assistidas por aprendizado de máquina, podem explicar os efeitos e fazer previsões que as técnicas padrão não podem.
Este trabalho iniciou uma conversa entre os colaboradores do Ceperley e alguns experimentalistas. Medições de alta pressão de hidrogênio são difíceis de realizar, então os resultados experimentais são limitados. A nova previsão inspirou alguns grupos a revisitar o problema e explorar com mais cuidado o comportamento do hidrogênio em condições extremas.
Ceperley observou que a compreensão do hidrogênio sob altas temperaturas e pressões aumentará nossa compreensão de Júpiter e Saturno, planetas gasosos feitos principalmente de hidrogênio. Jensen acrescentou que a “simplicidade” do hidrogênio torna a substância importante para estudar. “Queremos entender tudo, então devemos começar com sistemas que podemos atacar”, disse ele. “O hidrogênio é simples, então vale a pena saber que podemos lidar com isso.”
Este trabalho foi feito em colaboração com Markus Holzmann da Univ. Grenoble Alpes e Carlo Pierleoni da Universidade de L’Aquila. O grupo de pesquisa de Ceperley é apoiado pelo programa de Ciências de Materiais Computacionais do Departamento de Energia dos EUA, Escritório de Ciências Básicas de Energia, sob o Prêmio DE-SC0020177.
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