機(jī)器學(xué)習(xí)揭開了量子物理學(xué)的神秘面紗

了解電子錯(cuò)綜復(fù)雜的行為已經(jīng)導(dǎo)致了改變社會(huì)的發(fā)現(xiàn)，例如通過晶體管的發(fā)明使計(jì)算革命成為可能。

今天，通過技術(shù)的進(jìn)步，電子行為可以比過去更深入地研究，有可能使科學(xué)突破像個(gè)人計(jì)算機(jī)一樣改變世界。但是，這些工具生成的數(shù)據(jù)太復(fù)雜，人類無法解釋。

康奈爾大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種利用機(jī)器學(xué)習(xí)分析掃描隧道顯微鏡(STM)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)的方法 - 這種技術(shù)可以在不同能量的材料表面產(chǎn)生電子運(yùn)動(dòng)的亞原子尺度圖像，提供任何其他方法無法獲得的信息。 。

物理學(xué)教授Eun-Ah Kim說：“其中一些圖像是在二十年來被認(rèn)為重要和神秘的材料上拍攝的。” “你想知道這些圖像中隱藏著什么樣的秘密。我們想解開這些秘密。”

Kim是“電子量子物質(zhì)成像實(shí)驗(yàn)中的機(jī)器學(xué)習(xí)”的高級(jí)作者，于6月19日在Nature上發(fā)表。第一作者是張毅，曾任金氏實(shí)驗(yàn)室博士后研究員，現(xiàn)在中國(guó)北京大學(xué)，前任Andrej Mesaros現(xiàn)在位于法國(guó)巴黎南部大學(xué)的Kim實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員。

共同作者包括JCSéamusDavis，康奈爾大學(xué)的James Gilbert White物理科學(xué)杰出教授，STM驅(qū)動(dòng)研究的創(chuàng)新者。

這項(xiàng)研究對(duì)電子如何相互作用產(chǎn)生了新的見解，并展示了機(jī)器學(xué)習(xí)如何用于推動(dòng)實(shí)驗(yàn)量子物理學(xué)的進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)。

在亞原子尺度上，給定的樣本將包括相互交互的萬(wàn)億億億個(gè)電子和周圍的基礎(chǔ)設(shè)施。電子的行為部分取決于它們兩種競(jìng)爭(zhēng)傾向之間的緊張關(guān)系：與動(dòng)能相關(guān)的四處移動(dòng); 并且與相互之間保持相距甚遠(yuǎn)，與排斥的相互作用能量相關(guān)聯(lián)。

在這項(xiàng)研究中，Kim和合作者著手發(fā)現(xiàn)哪種趨勢(shì)在高溫超導(dǎo)材料中更為重要。

使用STM，電子穿過顯微鏡導(dǎo)電尖端和被檢樣品表面之間的真空，提供有關(guān)電子行為的詳細(xì)信息。

“問題是，當(dāng)你拿這樣的數(shù)據(jù)并記錄它時(shí)，你會(huì)得到類似圖像的數(shù)據(jù)，但它不是一個(gè)自然形象，如蘋果或梨，”金說。她說，儀器生成的數(shù)據(jù)更像是一種模式，比傳統(tǒng)的測(cè)量曲線復(fù)雜約10,000倍。“我們沒有一個(gè)很好的工具來研究那些類型的數(shù)據(jù)集。”

為了解釋這些數(shù)據(jù)，研究人員模擬了一個(gè)理想的環(huán)境，并增加了可能導(dǎo)致電子行為變化的因素。然后，他們訓(xùn)練了一種人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) - 一種人工智能，可以使用受大腦工作方式啟發(fā)的方法來學(xué)習(xí)特定任務(wù) - 識(shí)別與不同理論相關(guān)的環(huán)境。當(dāng)研究人員將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，它確定了實(shí)際數(shù)據(jù)最相似的理論。

Kim說，這種方法證實(shí)了這種假設(shè)，即排斥相互作用能量對(duì)電子行為的影響更大。

她說，更好地了解不同材料和不同條件下有多少電子相互作用可能會(huì)帶來更多發(fā)現(xiàn)，包括開發(fā)新材料。

“導(dǎo)致晶體管初始革命的材料實(shí)際上是非常簡(jiǎn)單的材料?，F(xiàn)在我們有能力設(shè)計(jì)更復(fù)雜的材料，”Kim說。“如果這些強(qiáng)大的工具可以揭示導(dǎo)致所需屬性的重要方面，我們希望能夠制作具有該屬性的材料。”