Metni görüntülere dönüştüren yapay zeka modelleri de yeni malzemeler üretmek için yararlıdır. Son birkaç yıldır, Google, Microsoft ve Meta gibi şirketlerden üretken malzeme modelleri, araştırmacıların on milyonlarca yeni malzeme tasarlamalarına yardımcı olmak için eğitim verilerinden yararlandı.
Ancak, süperiletkenlik veya benzersiz manyetik durumlar gibi egzotik kuantum özelliklerine sahip malzemeler tasarlama söz konusu olduğunda, bu modeller mücadele eder. Bu çok kötü, çünkü insanlar yardımı kullanabilir. Örneğin, kuantum spin sıvıları adı verilen kuantum hesaplamaya devrim yaratabilecek bir malzeme sınıfı üzerine on yıllık bir araştırma yaptıktan sonra sadece bir düzine malzeme adayı tanımlanmıştır. Darboğaz, teknolojik atılımların temeli olarak hizmet edecek daha az malzeme olduğu anlamına gelir.
Şimdi, MIT araştırmacıları, popüler üretken malzeme modellerinin belirli tasarım kurallarını izleyerek umut verici kuantum malzemeleri yaratmasını sağlayan bir teknik geliştirdiler. Kurallar veya kısıtlamalar, kuantum özelliklerine yol açan benzersiz yapılara sahip malzemeler oluşturmak için modelleri yönlendirir.
MIT’in 1947 Kariyer Geliştirme Profesörü Sınıfı Mingda Li, “Bu büyük şirketlerin modelleri istikrar için optimize edilmiş malzemeler üretiyor” diyor. “Bizim bakış açımız genellikle malzeme bilimi nasıl ilerlemiyor. Dünyayı değiştirmek için 10 milyon yeni malzemeye ihtiyacımız yok, sadece gerçekten iyi bir malzemeye ihtiyacımız var.”
Yaklaşım, yayınlanan bir makalede açıklanmaktadır. Doğa Malzemeleri. Araştırmacılar, kuantum özellikleri ile ilişkili geometrik kafes yapılarından oluşan milyonlarca aday materyal üretmek için tekniklerini uyguladılar. Bu havuzdan, iki gerçek malzemeyi egzotik manyetik özelliklerle sentezlediler.
Li, “Kuantum topluluğundaki insanlar, üst üste binen, baş aşağı üçgenler olan Kagome kafesleri gibi bu geometrik kısıtlamaları gerçekten önemsiyor. Kagome kafesli malzemeler yarattık çünkü bu malzemeler nadir toprak elemanlarının davranışını taklit edebilir, bu nedenle yüksek teknik öneme sahipler” diyor Li.
Li, gazetenin kıdemli yazarıdır. MIT ortak yazarları arasında Ph.D. Öğrenciler Ryotaro Okabe, Mouyang Cheng, Abhijatmedhi Chotrattanapituk ve Denisse Cordova Carrizales; Dokun sonrası Manasi mandal; lisans araştırmacıları Kiran Mak ve Bowen Yu; Ziyaret eden bilgin Nguyen Tuan Hung; Xiang Fu, Ph.D.; ve Bilgisayar Bilimi ve Yapay İstihbarat Laboratuvarı (CSAIL) ve Veri, Sistemler ve Toplum Enstitüsü’nün bağlı kuruluşu olan Elektrik Mühendisliği ve Bilgisayar Bilimi Profesörü Tommi Jaakkola.
Ek yardımcı yazarlar arasında Emory Üniversitesi’nden Yao Wang, Michigan Eyalet Üniversitesi’nden Weiwei Xie, Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı’ndan YQ Cheng ve Princeton Üniversitesi’nden Robert Cava yer alıyor.
Etkiye doğru yönlendirme modelleri
Bir malzemenin özellikleri yapısı ile belirlenir ve kuantum malzemeleri farklı değildir. Bazı atomik yapıların egzotik kuantum özelliklerine yol açması daha olasıdır.
Örneğin, kare kafesler yüksek sıcaklık süperiletkenleri için bir platform olarak hizmet edebilirken, Kagome ve Lieb kafesleri olarak bilinen diğer şekiller kuantum hesaplama için yararlı olabilecek malzemelerin oluşturulmasını destekleyebilir.
Difüzyon modelleri olarak bilinen popüler bir üretken model sınıfına yardımcı olmak için, belirli geometrik desenlere uygun materyaller üretir, araştırmacılar scigen yaratırlar (üretken modelde yapısal kısıtlama entegrasyonu kısaltması).
Scigen, difüzyon modellerinin her iteratif üretim adımında kullanıcı tanımlı kısıtlamalara uymasını sağlayan bir bilgisayar kodudur. Scigen ile kullanıcılar, malzeme ürettiği için takip etmek için herhangi bir üretken AI difüzyon modeli geometrik yapısal kurallar verebilir.
AI difüzyon modelleri, veri kümesinde bulunan yapıların dağılımını yansıtan yapılar oluşturmak için eğitim veri kümelerinden örneklenerek çalışır. Scigen, yapısal kurallara uymayan nesilleri engeller.
Scigen’i test etmek için, araştırmacılar bunu Diffcsp olarak bilinen popüler bir AI malzeme üretim modeline uyguladılar. Scigen donanımlı model, farklı çokgenlerin 2D kafes çimlenmeleri koleksiyonları olan Archimedean kafesleri olarak bilinen benzersiz geometrik desenlere sahip malzemeler üretti. Archimedan kafesleri bir dizi kuantum fenomenine yol açabilir ve çok fazla araştırmanın odak noktası olmuştur.
“Arşimedan kafesleri, nadir toprak elementleri olmayan nadir toprakların özelliklerini taklit edebilen kuantum spin sıvılarına ve düz bantlara yol açar, bu nedenle son derece önemlidirler,” diyor çalışmanın ortak yazarı olan Cheng.
“Diğer Archimedean kafes malzemeleri, karbon yakalama ve diğer uygulamalar için kullanılabilecek büyük gözeneklere sahiptir, bu yüzden özel malzemelerden oluşan bir koleksiyon. Bazı durumlarda, bu kafesle bilinen bir malzeme yok, bu yüzden o kafeye uyan ilk malzemeyi bulmak gerçekten ilginç olacak.”
Model, Archimedean kafesli 10 milyondan fazla malzeme adayı üretti. Bu malzemelerin bir milyonu istikrar için bir taramadan kurtuldu.
Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı’ndaki süper bilgisayarları kullanarak, araştırmacılar daha sonra 26.000 malzemeden daha küçük bir örnek aldı ve malzemelerin altında yatan atomların nasıl davrandığını anlamak için ayrıntılı simülasyonlar yaptı. Araştırmacılar bu yapıların yüzde 41’inde manyetizma buldular.
Bu alt kümeden, araştırmacılar daha önce keşfedilmemiş iki bileşik olan Tipdbi ve Tipbsb’i Xie ve Cava’nın laboratuvarlarında sentezledi. Sonraki deneyler, AI modelinin tahminlerini büyük ölçüde gerçek malzemenin özellikleriyle hizaladı.
Makalenin ilk yazarı Okabe, “Kuantum özelliklerine yol açtığı bilinen bu yapıları dahil ederek büyük bir potansiyel etkisi olabilecek yeni malzemeler keşfetmek istedik” diyor. “Belirli geometrik desenlere sahip bu malzemelerin ilginç olduğunu zaten biliyoruz, bu yüzden onlarla başlamak doğal.”
Hızlandırıcı malzeme atılımları
Kuantum spin sıvıları, kuantum operasyonlarının temeli olarak hizmet veren kararlı, hataya dayanıklı kubitler sağlayarak kuantum bilgi işleminin kilidini açabilir. Ancak kuantum spin sıvı malzemeleri doğrulanmamıştır. Xie ve Cava, Scigen’in bu materyalleri arayışını hızlandırabileceğine inanıyor.
Xie, “Kuantum bilgisayar malzemeleri ve topolojik süperiletkenler için büyük bir arama var ve bunların hepsi geometrik malzemelerle ilgilidir.” Cava, “Ama deneysel ilerleme çok, çok yavaştı.”
“Bu kuantum spin sıvı malzemelerinin birçoğu kısıtlamalara tabidir: eğer üçgen bir kafes veya bir kagome kafes içinde olmalıdır. Eğer malzemeler bu kısıtlamaları karşılıyorsa, kuantum araştırmacıları heyecanlanır; bu nedenle, bunun gibi birçok materyal üreterek, derhal deneyciler, yüzlerce veya binlerce daha fazla adayı verir.
Araştırmacılar, AI tarafından üretilen materyallerin sentezlenip sentezlenemeyeceğini ve gerçek özelliklerinin model tahminleriyle nasıl karşılaştırıldığını değerlendirmek için deneylerin hala kritik olduğunu vurgulamaktadır. Scigen üzerindeki gelecekteki çalışmalar, kimyasal ve fonksiyonel kısıtlamalar da dahil olmak üzere üretken modellere ek tasarım kurallarını dahil edebilir.
Okabe, “Dünyayı değiştirmek isteyen insanlar, maddi özelliklere önem veriyor, malzemelerin istikrarından ve yapısından daha fazla.” Diyor. “Yaklaşımımızla, istikrarlı malzemelerin oranı azalıyor, ancak bir sürü umut verici malzeme üretmek için kapıyı açıyor.”
