Evrende en bol bulunan element olan hidrojen, uzayın büyük bölümünü dolduran tozdan yıldızların çekirdeklerine ve Dünya’daki birçok maddeye kadar her yerde bulunur. Bu hidrojeni incelemek için yeterli bir neden olabilir, ancak tek tek atomları aynı zamanda sadece bir proton ve bir elektron ile herhangi bir elementin en basitidir. Illinois Üniversitesi Urbana-Champaign’de fizik profesörü olan David Ceperley’e göre bu durum hidrojeni madde teorilerini formüle etmek ve test etmek için doğal bir başlangıç noktası haline getiriyor.
Aynı zamanda Illinois Kuantum Bilgi Bilim ve Teknoloji Merkezi’nin de bir üyesi olan Ceperley, hidrojen atomlarının katılar, sıvılar ve gazlar gibi maddenin farklı fazlarını oluşturmak üzere nasıl etkileşime girdiğini ve birleştiğini incelemek için bilgisayar simülasyonları kullanıyor. Ancak bu olguların gerçek anlamda anlaşılması kuantum mekaniği gerektiriyor ve kuantum mekanik simülasyonları maliyetli. Ceperley ve çalışma arkadaşları, görevi basitleştirmek için, kuantum mekanik simülasyonlarının benzeri görülmemiş sayıda atomla gerçekleştirilmesine olanak tanıyan bir makine öğrenme tekniği geliştirdi. Physical Review Letters dergisinde yayınladıkları raporda, yöntemlerinin geçmiş teorilerin ve deneylerin gözden kaçırdığı yeni bir tür yüksek basınçlı katı hidrojen bulduğunu belirttiler.
Ceperley, “Makine öğreniminin bize çok şey öğrettiği ortaya çıktı” dedi. “Önceki simülasyonlarımızda yeni davranışların işaretlerini görüyorduk, ancak onlara güvenmiyorduk çünkü sadece az sayıda atomu barındırabiliyorduk. Makine öğrenimi modelimizle, en doğru yöntemlerden tam olarak yararlanabildik ve gerçekten neler olup bittiğini görebildik.”
Hidrojen atomları kuantum mekaniksel bir sistem oluşturur, ancak tam kuantum davranışlarını yakalamak bilgisayarlarda bile çok zordur. Kuantum Monte Carlo (QMC) gibi son teknoloji ürünü bir teknik, yüzlerce atomu uygun bir şekilde simüle edebilirken, büyük ölçekli faz davranışlarını anlamak, binlerce atomun uzun süreler boyunca simüle edilmesini gerektirir.
QMC’yi daha çok yönlü hale getirmek için, iki eski yüksek lisans öğrencisi, Hongwei Niu ve Yubo Yang, QMC simülasyonları ile eğitilmiş ve QMC’nin kendisinden çok daha fazla atomu barındırabilen bir makine öğrenimi modeli geliştirdiler. Daha sonra bu modeli doktora sonrası araştırma görevlisi Scott Jensen ile birlikte çok yüksek basınçlarda oluşan katı hidrojen fazının nasıl eridiğini incelemek için kullandılar.
Üçü, katı fazda olağandışı bir şey fark ettiklerinde tam bir resim oluşturmak için farklı sıcaklık ve basınçları araştırıyorlardı. Katı hidrojendeki moleküller normalde küreye yakın ve altıgen yakın paketlenmiş olarak adlandırılan bir konfigürasyon oluştururken (Ceperley bunu istiflenmiş portakala benzetti), araştırmacılar moleküllerin oval şekiller haline geldiği bir faz gözlemlediler. Ceperley bunları yumurta benzeri olarak tanımladı.
Jensen, “Bildiğimiz bir şeyin teorisini geliştirmek gibi çok da iddialı olmayan bir hedefle başladık,” diye hatırlıyor. “Ortaya çıkan yeni bir davranış vardı. Aslında, yüksek sıcaklık ve basınçlarda baskın davranış buydu ve eski teoride buna dair hiçbir ipucu yoktu.”
Araştırmacılar, sonuçlarını doğrulamak için makine öğrenimi modellerini, QMC’den daha az doğru olan ancak çok daha fazla atomu barındırabilen yaygın olarak kullanılan bir teknik olan yoğunluk fonksiyonel teorisinden elde edilen verilerle eğittiler. Basitleştirilmiş makine öğrenimi modelinin standart teorinin sonuçlarını mükemmel bir şekilde yeniden ürettiğini buldular. Araştırmacılar, büyük ölçekli, makine öğrenimi destekli QMC simülasyonlarının etkileri açıklayabildiği ve standart tekniklerin yapamadığı tahminleri yapabildiği sonucuna vardılar.
Bu çalışma Ceperley’in işbirlikçileri ile bazı deneyciler arasında bir tartışma başlattı. Hidrojenin yüksek basınç ölçümlerini yapmak zordur, bu nedenle deneysel sonuçlar sınırlıdır. Yeni tahmin, bazı gruplara sorunu yeniden gözden geçirme ve hidrojenin aşırı koşullar altındaki davranışını daha dikkatli bir şekilde keşfetme konusunda ilham verdi.
Ceperley, yüksek sıcaklıklar ve basınçlar altında hidrojeni anlamanın, esas olarak hidrojenden oluşan gazlı gezegenler olan Jüpiter ve Satürn’ü anlamamızı geliştireceğini belirtti. Jensen, hidrojenin “basitliğinin” bu maddeyi çalışmak için önemli kıldığını da sözlerine ekledi. “Her şeyi anlamak istiyoruz, bu yüzden saldırabileceğimiz sistemlerle başlamalıyız” dedi. “Hidrojen basittir, bu yüzden onunla başa çıkabileceğimizi bilmeye değer.”
Kaynak: Phys
