為什么高溫下，磁鐵不再具有磁性？極低溫度下，鉛變成了超導(dǎo)體？

2020-06-02 14:40 作者:博科園 0人讀過 | 我要投稿

極端溫度會(huì)對(duì)金屬造成奇怪的影響，比如在高溫下，磁鐵不再具有磁性，在極低溫度下，鉛變成了超導(dǎo)體。在過去的30年里，物理學(xué)家們一直被17.5開爾文的鈾釕硅化物到底發(fā)生了什么弄糊涂了。

通過測(cè)量熱容和其他特征，可以說鈾釕硅化物經(jīng)歷了某種類型的相變，這是任何人都能肯定的，其各種各樣的理論比比皆是。

由文理學(xué)院Dick&Dale Reis Johnson助理教授、物理學(xué)家布拉德·拉姆肖(Brad Ramshaw)領(lǐng)導(dǎo)的康奈爾大學(xué)(Cornell)一項(xiàng)合作，利用超聲波和機(jī)器學(xué)習(xí)的組合，縮小了對(duì)這種量子材料進(jìn)入所謂的“隱藏秩序”時(shí)會(huì)發(fā)生什么的可能解釋，其研究成果發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》科學(xué)期刊上。研究的資深作者拉姆肖說：在鈾釕硅化物中，我們不知道電子在隱藏有序狀態(tài)下做什么。

知道它們不會(huì)變得有磁性，知道它們不會(huì)變成超導(dǎo)，但它們?cè)谧鍪裁茨?？有很多可能性，如軌道順序、電荷密度波、價(jià)態(tài)躍遷，但很難區(qū)分這些不同的物質(zhì)狀態(tài)。因此，從這個(gè)意義上說，電子是‘隱藏’的。

研究團(tuán)隊(duì)使用高分辨率超聲波光譜研究了鈾釕硅化物單晶的對(duì)稱特性，以及這些特性在隱藏的有序相變過程中是如何變化的。大多數(shù)相變都伴隨著對(duì)稱性的變化，例如，固體的所有原子都以一種有組織的方式排列，而液體則不是這樣。

這些對(duì)稱性的變化并不總是明顯，可能很難通過實(shí)驗(yàn)檢測(cè)到。通過觀察對(duì)稱性，我們不必知道鈾在做什么，或者釕在做什么的所有細(xì)節(jié)。只需要分析系統(tǒng)的對(duì)稱性在相變之前是什么樣子，以及它在相變之后是什么樣子就可以了。這讓研究人員拿出了理論家提出的可能性表，然后說，嗯，這些與相變前后的對(duì)稱性不一致，但這些是一致的。這很好，因?yàn)楹苌倌茏龀鋈绱嗣鞔_的是與否的聲明。

然而，研究人員遇到了一個(gè)問題，為了分析超聲數(shù)據(jù)，通常會(huì)用波動(dòng)力學(xué)對(duì)其進(jìn)行建模。但為了研究最純凈的鈾釕硅化物，他們不得不使用更小、更干凈的樣本。這個(gè)“形狀奇特的小六邊形芯片”太小了，對(duì)于直接的波力學(xué)解決方案來說，有太多的不確定性。因此，拉姆肖和高什求助于物理學(xué)教授、研究的合著者金恩阿和博士邁克爾·馬蒂，開發(fā)出一種機(jī)器學(xué)習(xí)算法，可以分析數(shù)據(jù)并發(fā)現(xiàn)潛在的模式。

機(jī)器學(xué)習(xí)不僅僅是針對(duì)像圖像一樣的數(shù)據(jù)或大數(shù)據(jù)，它可以極大地改變對(duì)任何復(fù)雜數(shù)據(jù)的分析，避免了手動(dòng)建模。這很難，因?yàn)閿?shù)據(jù)只是一個(gè)數(shù)字列表，沒有任何方法，它就沒有結(jié)構(gòu)，也不可能從中學(xué)到任何東西，機(jī)器學(xué)習(xí)真的很擅長學(xué)習(xí)函數(shù)，但必須正確地進(jìn)行訓(xùn)練。研究人員的想法是，有一些函數(shù)可以將這組數(shù)字映射到一類理論。給定一組數(shù)值近似的數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行有效的回歸，學(xué)習(xí)一個(gè)解釋數(shù)據(jù)的函數(shù)。

機(jī)器學(xué)習(xí)算法的結(jié)果，消除了對(duì)隱藏順序20多種可能解釋中的大約一半。它可能還沒有解決鈾釕硅化物之謎，但它為解決實(shí)驗(yàn)物理數(shù)據(jù)分析問題創(chuàng)造了一種新的方法。該研究的算法，可以應(yīng)用于其他量子材料和技術(shù)，最著名的是核磁共振(NMR)光譜，這是磁共振成像(MRI)背后的基本過程。研究人員還計(jì)劃使用這項(xiàng)新技術(shù)來解決碲化鈾的不規(guī)則幾何問題，碲化鈾是一種潛在的拓?fù)涑瑢?dǎo)體，可能成為量子計(jì)算的平臺(tái)。