編輯 | 綠蘿

氫是宇宙中最為豐富的元素。從外太空到恒星，再到地球上的許多物質(zhì)，氫無處不在。

氫是元素周期表中的第一個(gè)元素，它的單個(gè)原子也是所有元素中最簡單的，只有一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子。

對(duì)于伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校（UIUC）的物理學(xué)教授 David Ceperley 來說，這使得氫成為構(gòu)建和測試物質(zhì)理論的自然起點(diǎn)。他使用計(jì)算機(jī)模擬來研究氫原子如何相互作用和結(jié)合以形成固體、液體和氣體。然而，對(duì)這些現(xiàn)象的真正理解需要量子力學(xué)，而量子力學(xué)模擬的成本是昂貴的。

為了簡化任務(wù)，Ceperley 和他的合作者開發(fā)了一種機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，可以用前所未有的原子數(shù)量進(jìn)行量子力學(xué)模擬。

研究發(fā)現(xiàn)了一種新的高壓固體氫，這是過去的理論和實(shí)驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)的。

該研究以「Stable Solid Molecular Hydrogen above 900 K from a Machine-Learned Potential Trained with Diffusion Quantum Monte Carlo」為題，于 2023 年 2 月 17 日發(fā)布在《Phys. Rev. Lett.》上。

「事實(shí)證明，機(jī)器學(xué)習(xí)教會(huì)了我們很多東西，」Ceperley 說。「我們?cè)谥暗哪M中看到了新行為的跡象，但我們不相信它們，因?yàn)槲覀冎荒苋菁{少量原子。有了我們的機(jī)器學(xué)習(xí)模型，我們可以充分利用最準(zhǔn)確的方法，看看到底發(fā)生了什么?！?/span>

探測高壓氫相圖的實(shí)驗(yàn)方法有限。鑒于實(shí)驗(yàn)的困難，精確的模擬是必要的，以告知和補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)工作。高壓氫的模擬需要準(zhǔn)確的方法來描述電子基態(tài) Born-Oppenheimer (BO) 勢能面 (PES) 和包含超出諧波近似（harmonic approximation）的核量子效應(yīng)。但使用第一性原理方法探索大范圍的壓力和溫度非常耗時(shí)。

近年來，機(jī)器學(xué)習(xí)原子間勢已成為一種很有前途的工具，在準(zhǔn)確性和效率之間達(dá)到平衡，進(jìn)行準(zhǔn)確且低成本的計(jì)算，從而解決第一原理模擬的時(shí)間和空間限制。

ML 方法已應(yīng)用于致密氫研究。然而，關(guān)于解離、熔化和通過各種模擬方法獲得的臨界點(diǎn)，存在一些相互矛盾的理論結(jié)果。

氫原子形成一個(gè)量子力學(xué)系統(tǒng)，但即使在計(jì)算機(jī)上也很難捕捉到它們的完整量子行為。像量子蒙特卡洛（QMC）這樣的最先進(jìn)技術(shù)可以模擬數(shù)百個(gè)原子，而理解大規(guī)模相行為需要長時(shí)間模擬數(shù)千個(gè)原子。

為了使 QMC 更具通用性，研究人員開發(fā)了一種機(jī)器學(xué)習(xí)模型，該模型經(jīng)過 QMC 模擬訓(xùn)練，能夠容納比 QMC 本身更多的原子。然后，使用該模型來研究在非常高的壓力下形成的氫固相如何熔化。

在這項(xiàng)研究中，研究人員使用與 DMC-BO-PES 近似的量子質(zhì)子，在 50 到 220 GPa 的壓力下，對(duì)分子氫進(jìn)行大規(guī)模模擬，研究高壓分子氫的相圖。

狀態(tài)方程整體比較優(yōu)秀。實(shí)驗(yàn)確定結(jié)構(gòu)為 HCP，但六角對(duì)稱性在 150 GPa 以上被破壞。在模擬和實(shí)驗(yàn)中，c/a 比隨著壓力的增加而降低。當(dāng) c/a 比偏離封閉堆積極限時(shí)，分子取向會(huì)出現(xiàn)各向異性。

研究發(fā)現(xiàn) 400 K 和 120 GPa 以上的主要結(jié)構(gòu)是各向同性 Fmmm-4，每個(gè)晶胞有 2 個(gè)分子，沒有優(yōu)先取向。

在 HCP 結(jié)構(gòu)中，第二層的分子中心位于第一層三個(gè)分子中心形成的等邊三角形的中心之上，而在 Fmmm-4 中，第二層的分子中心位于該三角形的邊緣之上。?

對(duì)于 T ≤ 400 K，分子在基面上定向。當(dāng) T < 200 K，結(jié)構(gòu)為 C2/c-24，這也是具有定向分子的分子中心的 HCP 晶格；有 4 個(gè)不同的層，每個(gè)晶胞共有 12 個(gè)分子。

除了 HCP 和 C2/c-24 相外，還發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)新的穩(wěn)定相，它們的分子中心都在 Fmmm-4 結(jié)構(gòu)中，通過分子取向隨溫度的轉(zhuǎn)變而分開。

高溫各向同性 Fmmm-4 相有一條重入熔線（reentrant melting line），其最大熔點(diǎn)比之前估計(jì)的溫度更高（150 GPa 時(shí)為 1450 K），并在 1200 K 和 200 GPa 左右穿過液-液相變線（LLPT）。

為了驗(yàn)證結(jié)果，研究人員使用密度泛函理論的數(shù)據(jù)訓(xùn)練了他們的機(jī)器學(xué)習(xí)模型。發(fā)現(xiàn)簡化的機(jī)器學(xué)習(xí)模型完美地再現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)理論的結(jié)果。研究人員得出結(jié)論，大規(guī)模機(jī)器學(xué)習(xí)輔助 QMC 模擬可以解釋影響并做出標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)無法做出的預(yù)測。

氫的高壓測量很難進(jìn)行，因此實(shí)驗(yàn)結(jié)果有限。新的預(yù)測激發(fā)了一些小組重新審視這個(gè)問題，更仔細(xì)地探索氫在極端條件下的行為。

Ceperley 指出，了解高溫高壓下的氫將增強(qiáng)我們對(duì)木星和土星這兩種主要由氫構(gòu)成的氣態(tài)行星的了解。

論文共同作者 Scott Jensen 補(bǔ)充說，氫的「簡單性」使得研究這種物質(zhì)很重要?！肝覀兿肓私庖磺校晕覀儜?yīng)該從我們可以攻擊的系統(tǒng)開始，」他說?！笟浜芎唵危?，值得我們?nèi)パ芯俊！?/span>