Físicos descobrem uma estranha nova fase teórica do hidrogênio: WebCuriosos

Ao ensinar uma máquina a aprender alguns truques quânticos, os físicos descobriram uma estranha nova fase de hidrogênio na forma sólida. Embora seja puramente teórica por enquanto, a descoberta pode nos ajudar a compreender melhor o comportamento da matéria, desde as escalas mais ínfimas até a mecânica interna dos maiores planetas do Universo.

Esta nova fase sólida de hidrogénio descoberta por uma equipa internacional de investigadores seguiu a apresentação do modelo de moléculas de hidrogénio sob condições extremas: para usar uma analogia alimentar, a sua forma transformou-se de esferas empilhadas como uma pilha de laranjas para algo que mais se assemelhava a ovos.

O hidrogênio normalmente requer temperaturas muito baixas e pressões muito altas para formar um sólido. Foi através de um novo estudo de aprendizagem automática desta mudança de fase específica que os cientistas se depararam com o novo arranjo molecular.

“Começamos com o objetivo não muito ambicioso de refinar a teoria de algo que conhecemos”, diz o físico Scott Jensen, da Universidade de Illinois Urbana-Champaign.

“Infelizmente, ou talvez felizmente, era mais interessante do que isso. Havia um novo comportamento surgindo. Na verdade, era o comportamento dominante em altas temperaturas e pressões, algo que não havia nenhum indício na teoria mais antiga.”

Um algoritmo de aprendizado de máquina atualizado desempenhou um papel significativo na pesquisa: foi capaz de modelar as ações de milhares de átomos, em vez das centenas às quais tantos estudos de fenômenos quânticos estão limitados.

Os pesquisadores usaram uma versão melhorada do que é conhecido como Monte Carlo Quântico Técnica (QMC): essencialmente, ela usa amostragem aleatória e matemática probabilística para descobrir como grandes grupos de átomos estão se comportando em massa, grupos que seriam muito difíceis de estudar em um experimento real.

Um segundo método computacional – melhor capaz de lidar com mais átomos, mas sem precisão – foi então usado para verificar os resultados. À medida que as descobertas coincidem, sugere-se que a técnica aprimorada de QMC está funcionando conforme planejado.

“O aprendizado de máquina acabou nos ensinando muito”, diz o físico David Ceperley, da Universidade de Illinois Urbana-Champaign. “Tínhamos visto sinais de novo comportamento nas nossas simulações anteriores, mas não confiámos nelas porque só podíamos acomodar um pequeno número de átomos.”

“Com nosso modelo de aprendizado de máquina, poderíamos aproveitar ao máximo os métodos mais precisos e ver o que realmente está acontecendo”.

Simplificando, a componente de aprendizagem automática melhorou a precisão e o âmbito das simulações que os cientistas podiam executar, utilizando dados existentes e simulações anteriores para tornar as futuras mais precisas em termos das suas estimativas.

O hidrogénio não é apenas o elemento mais abundante no Universo, mas também o mais simples em termos dos seus átomos individuais: um protão e um eletrão. Isso significa que novas descobertas sobre o hidrogênio podem afetar quase tudo na física.

Por enquanto, é muito cedo para saber o que significa esta nova fase do hidrogénio sólido, e são necessárias mais experimentações e simulações para observá-la mais de perto. No entanto, o estudo de planetas cheios de hidrogénio como Júpiter e Saturno é apenas uma área onde esta compreensão extra pode ser útil.

“Queremos entender tudo, então devemos começar com sistemas que possamos atacar”, diz Ceperley. “O hidrogênio é simples, então vale a pena saber que podemos lidar com isso.”

A pesquisa foi publicada em Cartas de revisão física.