En apprenant à une machine à apprendre quelques tours quantiques, les physiciens ont découvert une étrange nouvelle phase de l’hydrogène sous forme solide. Bien qu’elle soit purement théorique pour l’instant, la découverte pourrait nous aider à mieux comprendre le comportement de la matière depuis les plus petites échelles jusqu’à la mécanique interne des plus grandes planètes de l’Univers.
Cette nouvelle phase d’hydrogène solide découverte par une équipe internationale de chercheurs a suivi la présentation du modèle des molécules d’hydrogène dans des conditions extrêmes : pour utiliser une analogie alimentaire, leur forme est passée de sphères empilées comme un tas d’oranges à quelque chose qui ressemblait plus à des œufs.
L’hydrogène nécessite généralement des températures très basses et des pressions très élevées pour former un solide. C’est grâce à une nouvelle étude d’apprentissage automatique de ce changement de phase particulier que les scientifiques ont découvert le nouvel arrangement moléculaire.
Les modèles moléculaires standard (à gauche) et nouveaux (à droite) dans l’hydrogène solide. (Wesley Moore)
“Nous avons commencé avec l’objectif pas trop ambitieux d’affiner la théorie de quelque chose que nous connaissons”, explique le physicien Scott Jensen de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign.
“Malheureusement, ou peut-être heureusement, c’était plus intéressant que cela. Il y avait ce nouveau comportement qui apparaissait. En fait, c’était le comportement dominant à des températures et des pressions élevées, quelque chose qu’il n’y avait aucune allusion dans la théorie plus ancienne.”
Un algorithme d’apprentissage automatique mis à jour a joué un rôle important dans la recherche : il a pu modéliser les actions de milliers d’atomes plutôt que les centaines auxquelles se limitent de nombreuses études sur les phénomènes quantiques.
Les chercheurs ont utilisé une version améliorée de ce qu’on appelle la technique Quantum Monte Carlo (QMC) : essentiellement, elle utilise un échantillonnage aléatoire et des mathématiques de probabilité pour déterminer comment de grands groupes d’atomes se comportent en masse, des groupes qui seraient trop difficiles à étudier dans une expérience réelle.
Une deuxième méthode de calcul – une meilleure capable de gérer plus d’atomes mais sans précision – a ensuite été utilisée pour vérifier les résultats. Comme les résultats concordaient, cela suggère que la technique QMC améliorée fonctionne comme prévu.
“L’apprentissage automatique s’est avéré nous apprendre beaucoup”, déclare le physicien David Ceperley, de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign. “Nous avions vu des signes de nouveau comportement dans nos simulations précédentes, mais nous ne leur faisions pas confiance car nous ne pouvions accueillir qu’un petit nombre d’atomes.”
“Grâce à notre modèle d’apprentissage automatique, nous avons pu tirer pleinement parti des méthodes les plus précises et voir ce qui se passe réellement.”
En termes simples, le composant d’apprentissage automatique a amélioré la précision et la portée des simulations que les scientifiques pouvaient exécuter, en utilisant les données existantes et les simulations précédentes pour rendre les futures plus précises en termes d’estimations.
Non seulement l’hydrogène est l’élément le plus abondant dans l’Univers, mais c’est aussi le plus simple en termes d’atomes individuels : un proton et un électron. Cela signifie que de nouvelles découvertes sur l’hydrogène peuvent affecter presque tout le reste de la physique.
Pour l’instant, il est trop tôt pour savoir ce que signifie cette nouvelle phase d’hydrogène solide, et plus d’expérimentation et de simulation sont nécessaires pour l’examiner de plus près. Cependant, l’étude des planètes remplies d’hydrogène comme Jupiter et Saturne n’est qu’un domaine où cette compréhension supplémentaire peut être utile.
“Nous voulons tout comprendre, nous devons donc commencer par des systèmes que nous pouvons attaquer”, déclare Ceperley. “L’hydrogène est simple, il vaut donc la peine de savoir que nous pouvons y faire face.”
La recherche a été publiée dans Physical Review Letters.
