Al enseñarle a una máquina a aprender algunos trucos cuánticos, los físicos han descubierto una nueva y extraña fase de hidrógeno en forma sólida. Si bien es puramente teórico por ahora, 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 de hidrógeno sólido 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 a algo que se parecía más a 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 particular que los científicos encontraron la nueva disposición molecular.
“Comenzamos con el objetivo no demasiado ambicioso de refinar la teoría de algo que conocemos”, dice el físico Scott Jensen de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign.
“Desafortunadamente, o quizás afortunadamente, fue más interesante que eso. Apareció este nuevo comportamiento. De hecho, era el comportamiento dominante a altas temperaturas y presiones, algo de lo que no había indicios en la teoría más antigua”.
Un algoritmo de aprendizaje automático actualizado desempeñó un papel importante en la investigación: fue capaz de 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 la técnica Quantum Monte Carlo (QMC): esencialmente, utiliza muestreo aleatorio y matemáticas de probabilidad para determinar cómo se comportan en masa grandes grupos de átomos, grupos que serían demasiado difíciles de estudiar en un experimento real.
Luego se utilizó un segundo método computacional, uno más capaz de manejar más átomos pero sin la precisión, para verificar los resultados. Como los hallazgos coincidieron, sugiere que la técnica QMC mejorada está funcionando según lo previsto.
“El aprendizaje automático resultó enseñarnos mucho”, dice el físico David Ceperley, de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign. “Habíamos estado viendo signos de un nuevo comportamiento en nuestras simulaciones anteriores, pero no confiábamos en ellos porque solo podíamos acomodar una pequeña cantidad de átomos”.
“Con nuestro modelo de aprendizaje automático, pudimos aprovechar al máximo los métodos más precisos y ver lo que realmente está sucediendo”.
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 sus estimaciones. El hidrógeno no solo es el elemento más abundante en el Universo, sino que también es el más simple en términos de sus átomos individuales: un protón y un electrón. Eso significa que los nuevos descubrimientos sobre el hidrógeno pueden afectar a casi todo lo demás en la física.
Por ahora, es demasiado pronto para saber qué significa esta nueva fase de hidrógeno sólido, y se requiere más experimentación y simulación para observarla más de cerca. Sin embargo, el estudio de planetas llenos de hidrógeno como Júpiter y Saturno es solo un área en la que esta comprensión adicional puede ser útil.
“Queremos comprenderlo todo, por lo que debemos comenzar con sistemas que podamos abordar”, dice Ceperley. “El hidrógeno es simple, por lo que vale la pena saber que podemos manejarlo”.
La investigación ha sido publicada en Physical Review Letters.
Fuente: Science Alert.
