ШІ знайшов два нові надпровідники і відкрив шлях до мільярдів матеріалів

Уявіть собі матеріал, який проводить струм взагалі без втрат, але замість складних десятиліть пошуків його знаходить не армія фізиків, а алгоритм. Саме так міжнародна команда на чолі з дослідниками з Аалто університету виявила два нові надпровідники, показавши, що штучний інтелект може відкрити шлях до тисяч, а потенційно й мільярдів нових матеріалів.

Що відомо коротко

• Вчені відкрили два нові надпровідники YRu3B2 та LuRu3B2.
• Їх знайшли за допомогою машинного навчання, яке попередньо відсіяло непридатні матеріали.
• Електрони в цих сполуках утворюють ґратку кагоме, натхненну японським плетінням кошиків.
• Новий підхід дозволяє теоретично перевіряти не тисячі, а до мільярдів можливих матеріалів.
• Мета міжнародного консорціуму SuperC — знайти надпровідник з роботою при кімнатній температурі до 2033 року.

Як надпровідник перетворює електрику на «ідеальну автостраду»

Звичайні дроти поводяться як завантажені міські вулиці: електрони постійно «врізаються» в атоми, втрачають енергію, а частина електрики перетворюється на тепло. Надпровідник — це ніби ідеальна автострада без заторів, де машини летять без гальмування і втрат пального.

У надпровідниках електрони об’єднуються в особливі стани, які дозволяють струму текти без опору. Проблема в тому, що така «магія» працює лише при дуже низьких температурах, часто близьких до абсолютного нуля. Охолодження до таких умов дороге й складне, тому надпровідники поки що використовують лише там, де вигода переважає витрати: у квантових комп’ютерах, МРТ-сканерах, термоядерних установках та маглев-поїздах.

Якби вдалося знайти матеріал, який зберігає надпровідність при кімнатній температурі, електричні мережі, дата-центри й обчислювальні системи могли б працювати майже без енергетичних втрат. Це означало б радикальне скорочення глобального енергоспоживання.

Кагоме-ґратка: японське плетіння в світі електронів

Нові матеріали YRu3B2 і LuRu3B2 отримують свої надпровідні властивості завдяки електронам, розташованим у так званій ґратці кагоме. Це геометричний візерунок, натхненний традиційним японським плетінням кошиків: трикутники, що переплітаються, утворюючи шестикутники та зіркоподібні мотиви.

Якщо уявити кристал як мозаїку, то кагоме — це особливий візерунок цієї мозаїки. Така структура змінює те, як рухаються електрони, створюючи незвичайні квантові стани. Саме ці стани можуть сприяти виникненню надпровідності, роблячи кагоме-матеріали дуже привабливими кандидатами для пошуку «ідеальних» провідників.

У нових сполуках елементи ітрій (Y) або лютецій (Lu), рутеній (Ru) та бор (B) поєднуються так, що електрони «бачать» саме кагоме-ґратку. Це і стало ключем до їхньої надпровідної поведінки.

Як ШІ перетворив хаотичний пошук на прицільне полювання

Десятиліттями відкриття надпровідників нагадувало пошук голки в космічному стозі сіна. За словами професорки Аалто університету Пяйві Тьормя (Päivi Törmä), дослідники вже знайшли понад 7 000 надпровідників, але здебільшого випадково. Теоретично ж детально прорахувати вдалося лише близько 20 з них — настільки важкими є класичні обчислення.

Нова робота пропонує інший підхід. Спочатку система машинного навчання переглядає величезну базу можливих сполук і відсіює переважну більшість, залишаючи лише найперспективніших кандидатів. Це як мати розумний фільтр, який із мільярда ключів залишає кілька десятків, що можуть підійти до замка.

Потім фізики застосовують уже точні квантово-механічні розрахунки до цієї малої вибірки. Після теоретичного підтвердження партнери з Університету Райса синтезували реальні зразки YRu3B2 і LuRu3B2 та експериментально показали, що обидві сполуки дійсно є надпровідниками.

Таким чином, штучний інтелект тут не замінює фізику, а працює як «розумний фільтр», який економить обчислювальні ресурси та час.

Чому це важливо для енергетики та обчислень

Професорка Тьормя наголошує, що надпровідники, здатні працювати при кімнатній температурі, могли б назавжди змінити споживання енергії. Якщо замінити звичайні провідники в комп’ютерах і дата-центрах на надпровідні, глобальне енергоспоживання можна було б суттєво скоротити, а тепловий слід ІКТ-сектору — різко зменшити.

Робота входить до міжнародного консорціуму SuperC, який стартував у 2023 році з амбітною метою — відкрити надпровідник, що працює при кімнатній температурі, до 2033 року. Новий метод пошуку матеріалів може стати ключовим інструментом на цьому шляху.

За оцінкою дослідників, поєднання машинного навчання з прицільними квантовими розрахунками дозволить збільшити кількість матеріалів, які можна реально перевірити, до мільярдів. Це означає, що замість повільного перебору поодиноких сполук науковці отримують «пошукову систему» для Всесвіту можливих матеріалів.

Цікаві факти

• За десятки років вчені відкрили понад 7 000 надпровідників, але лише близько 20 з них були детально передбачені теорією до експерименту.
• Кагоме-ґратка, що лежить в основі нових матеріалів, названа на честь візерунка традиційного японського плетіння кошиків.
• Надпровідники вже сьогодні використовують у квантових комп’ютерах, МРТ-сканерах, термоядерних реакторах і маглев-поїздах.

FAQ

Це вже прорив до надпровідності при кімнатній температурі?

Ні, нові матеріали не працюють при кімнатній температурі. Важливий не стільки сам результат, скільки метод: він показує, що машинне навчання може значно прискорити пошук і наблизити момент, коли такий матеріал буде знайдено.

Чому вчені не могли просто «перебрати» всі можливі матеріали без ШІ?

Кількість можливих комбінацій елементів і структур гігантська, і точні квантові розрахунки для кожної з них надзвичайно ресурсомісткі. Без попереднього відбору це зайняло б нереалістично багато часу й обчислювальної потужності.

Чи можна застосувати цей підхід до інших типів матеріалів?

У статті йдеться саме про надпровідники, але сам принцип — машинне навчання як фільтр перед точними розрахунками — потенційно придатний і для пошуку інших функціональних матеріалів, наприклад для енергетики чи електроніки.

Коли результати можуть вплинути на звичайних споживачів?

Навіть із новим методом шлях від відкриття матеріалу до масового застосування може тривати роки або десятиліття. Спочатку потрібно знайти справді унікальні сполуки, а потім навчитися їх стабільно й дешево виробляти та інтегрувати в реальні пристрої.

Штучний інтелект перетворює пошук надпровідників із повільного «тику навмання» на систематичне сканування мільярдів можливих матеріалів — і це змушує по-новому подивитися на те, як ми відкриваємо речовину навколо нас. Можливо, вже в найближчі десятиліття найважливіші матеріали для енергетики та обчислень нам підказуватимуть не інтуїція окремих вчених, а розумні алгоритми, що бачать закономірності там, де людське око помічає лише хаос.

ШІ знайшов два нові надпровідники і відкрив шлях до мільярдів матеріалів з’явилася спочатку на Цікавості.

cikavosti.com