Η μηχανική μάθηση δίνει στους επιστήμονες έναν ισχυρό νέο τρόπο για τη διερεύνηση των υπεραγωγών, των υλικών που φέρουν ηλεκτρισμό με μηδενική αντίσταση. Μια διεθνής ομάδα έδειξε ότι η τεχνητή νοημοσύνη μπορεί γρήγορα να περιορίσει έναν σχεδόν απεριόριστο αριθμό πιθανών συνδυασμών συστατικών για να εντοπίσει τους πιο υποσχόμενους υποψηφίους. Σύμφωνα με τον καθηγητή του Πανεπιστημίου Aalto Päivi Törmä, ο οποίος ηγείται υπερκ κοινοπραξία, η μέθοδος θα μπορούσε να επιταχύνει δραματικά την ανακάλυψη νέων υπεραγωγών.
Οι υπεραγωγοί επιτρέπουν στο ηλεκτρικό ρεύμα να ρέει χωρίς απώλεια ενέργειας, αλλά μόνο όταν ψύχονται σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες όπου εμφανίζονται κβαντικά φαινόμενα. Αυτά τα αξιοσημείωτα υλικά χρησιμοποιούνται ήδη σε τεχνολογίες που κυμαίνονται από κβαντικούς υπολογιστές και ιατρικά συστήματα νευροαπεικόνισης έως αντιδραστήρες σύντηξης και τρένα maglev.
Παρά τις τεράστιες δυνατότητές τους, οι υπεραγωγοί παραμένουν εξαιρετικά δύσκολο να ανακαλυφθούν. Υπάρχουν ουσιαστικά ατελείωτοι συνδυασμοί χημικών στοιχείων που μπορούν να δημιουργήσουν νέα υλικά, αλλά μόνο ένα μικρό κλάσμα μπορεί να γίνει υπεραγωγός. Αυτά που έχουν ήδη χαρακτηριστεί απαιτούν συνήθως ακριβά συστήματα ψύξης που τα φέρνουν κοντά στο απόλυτο μηδέν πριν εμφανίσουν τις μοναδικές τους ιδιότητες.
Επιστήμονες σε όλο τον κόσμο αναζητούν έναν πρακτικό υπεραγωγό που μπορεί να λειτουργήσει σε θερμοκρασία δωματίου.
«Τα υπεραγώγιμα υλικά που μπορούν να λειτουργήσουν σε θερμοκρασία δωματίου θα αλλάξουν για πάντα τον τρόπο που χρησιμοποιούμε την ενέργεια», εξηγεί ο Torma. «Εάν τέτοιο υλικό μπορούσε να αντικαταστήσει τους κανονικούς αγωγούς σε εφαρμογές όπως υπολογιστές και κέντρα δεδομένων, η παγκόσμια κατανάλωση ενέργειας θα μπορούσε να μειωθεί και το θερμικό αποτύπωμα του τομέα των ΤΠΕ θα μπορούσε να μειωθεί σημαντικά».
Η τεχνητή νοημοσύνη και η κβαντική φυσική ενώνουν τις δυνάμεις τους
Η Κοινοπραξία SuperC ιδρύθηκε το 2023 από τον καθηγητή Torma και μια διεθνή ομάδα κορυφαίων φυσικών που συμμερίζονται τον στόχο της χρήσης της κβαντικής φυσικής για την αντιμετώπιση της κλιματικής αλλαγής. Είναι η πρώτη ολοκληρωμένη παγκόσμια συνεργασία αφιερωμένη στην ανακάλυψη νέων υπεραγωγών με φιλόδοξο στόχο να βρεθεί ένας υπεραγωγός θερμοκρασίας δωματίου έως το 2033.
Σύμφωνα με τον Torme, ο συνδυασμός της κβαντικής γεωμετρίας με τη μηχανική μάθηση παρέχει μια ισχυρή βάση για αυτήν την αναζήτηση. Το τελευταίο έργο της ομάδας, ο πρόσφατα εντοπισμένος υπεραγωγός, YRu3σι2 και Luru3σι2Οφείλουν τις ιδιότητές τους στα ηλεκτρόνια που σχηματίζουν επίπεδες ζώνες μέσα σε ένα πλέγμα kagome, μια γεωμετρική διάταξη εμπνευσμένη από τα παραδοσιακά ιαπωνικά σχέδια ύφανσης καλαθιού.
Για να αναγνωρίσουν αυτά τα υλικά, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν αρχικά τη μηχανική μάθηση για να ελέγξουν γρήγορα έναν μεγάλο αριθμό πιθανών στοιχειακών συνδυασμών. Ένας ειδικός αλγόριθμος επέλεξε τους πιο πολλά υποσχόμενους υποψηφίους, οι οποίοι στη συνέχεια αναλύθηκαν χρησιμοποιώντας λεπτομερείς κβαντικούς υπολογισμούς για να καθοριστεί εάν θα μπορούσαν να είναι υπεραγωγοί.
Μόλις οι προβλέψεις επιβεβαιώθηκαν θεωρητικά, οι συνεργάτες του Πανεπιστημίου Rice συνέθεσαν τα υλικά συνδυάζοντας χημικά τα συστατικά τους στοιχεία σε νέες ενώσεις. Με επικεφαλής την καθηγήτρια Emilia Morosan, η ομάδα του Rice επαλήθευσε πειραματικά ότι και τα δύο υλικά είναι όντως υπεραγωγοί.
Πρόσφατα δημοσιεύθηκαν μελέτες απόδειξης της ιδέας Μελέτες φυσικής ανασκόπησης.
Ένας γρήγορος δρόμος για νέους υπεραγωγούς
Η ανάπτυξη μιας πλήρους κβαντομηχανικής κατανόησης της υπεραγωγιμότητας είναι εξαιρετικά δύσκολη, καθιστώντας την αναζήτηση νέων υπεραγώγιμων υλικών αργή και υπολογιστικά απαιτητική.
«Κατά τη διάρκεια των δεκαετιών οι ερευνητές έχουν αναγνωρίσει περισσότερους από 7.000 υπεραγωγούς, αλλά κυρίως παθητικά», εξήγησε ο Torma. «Η διαδικασία εντοπισμού πιθανών υλικών είναι τόσο εντατική υπολογιστικά που, στην πραγματικότητα, οι ερευνητές μπόρεσαν να προβλέψουν θεωρητικά την απόδοση περίπου 20 από αυτά».
Ακόμη και όταν ένα υλικό φαίνεται πολλά υποσχόμενο στο χαρτί, μπορεί να αποδειχθεί μη πρακτικό επειδή είναι πολύ δύσκολο να συντεθεί ή αδύνατο να παραχθεί σε κλίμακα, σημειώνει ο Torma. Παραδοσιακά, η αξιολόγηση ενός μεγάλου αριθμού πιθανών υλικών απαιτεί πολλούς υπολογιστικούς πόρους. Η προσέγγιση που βασίζεται στην τεχνητή νοημοσύνη της ομάδας SuperC αλλάζει αυτή τη διαδικασία εστιάζοντας τους λεπτομερείς υπολογισμούς μόνο στους ισχυρότερους υποψηφίους.
“Η μέθοδός μας χρησιμοποιεί προέλεγχο βασισμένη στη μηχανική μάθηση που ακολουθείται από στοχευμένη απαρίθμηση υποσχόμενων υποψηφίων. Αυτή η μέθοδος θα επιταχύνει σημαντικά την ανακάλυψη υπεραγωγών στο μέλλον. Με τη μηχανική μάθηση, μπορεί να είμαστε σε θέση να αυξήσουμε τον αριθμό των υλικών που μπορούμε να επεξεργαστούμε στα δισεκατομμύρια”, δήλωσε ο Torma. «Αυτό θα μας οδηγήσει ένα σημαντικό βήμα πιο κοντά στην εύρεση ενός υπεραγωγού θερμοκρασίας δωματίου».
κοιτάζοντας μπροστά
Η έρευνα του SuperC θα παρουσιαστεί στο Πανεπιστήμιο του Aalto Σχεδιασμός για έναν πιο δροσερό πλανήτη Έκθεση στο Μεγάλο Ελσίνκι της Φινλανδίας από 1 Σεπτεμβρίου έως 30 Οκτωβρίου 2026.
Η Κοινοπραξία SuperC λαμβάνει χρηματοδότηση από το Ίδρυμα Kavli, το Ίδρυμα Klaus Schira, το Ίδρυμα Kevin Wells, το Ίδρυμα Jane and Atos Erko, το Kiely Foundation, το Magnus Ehornruth Foundation και τα ιδρύματα Neste και Fortum.
