Ao ensinar uma máquina a aprender alguns truques quânticos, os físicos descobriram uma Estranha Nova Fase de hidrogênio sólido. Embora puramente teórica por enquanto, a descoberta pode nos ajudar a entender melhor o comportamento da matéria desde as menores escalas até a mecânica interna dos maiores planetas do universo.

Esta Nova Fase sólida de hidrogênio, descoberta por uma equipe internacional de pesquisadores, seguiu a representação do modelo de moléculas de hidrogênio em condições extremas: para usar uma analogia alimentar, sua forma se transformou de esferas empilhadas como um cacho de laranjas para algo que mais parecia ovos.

O hidrogênio normalmente requer temperaturas muito baixas e pressões muito altas formar um sólido. Por meio de um novo estudo de aprendizado de máquina dessa mudança de fase específica, os cientistas se depararam com o novo arranjo molecular.

“Começamos com o objetivo não tão ambicioso de refinar a teoria de algo que conhecemos”, diz Físico Scott Jensen da Universidade de Illinois Urbana-Champaign.

“Infelizmente, ou talvez felizmente, foi mais interessante do que isso. Foi quando esse novo comportamento apareceu. Na verdade, era o comportamento dominante em altas temperaturas e pressões, algo que não era indicado na teoria mais antiga.”

Um algoritmo de aprendizado de máquina atualizado desempenhou um papel significativo na pesquisa: foi capaz de modelar as ações de milhares de átomos, em vez das centenas às quais tantos estudos de fenômenos quânticos são limitados.

Os pesquisadores usaram uma versão melhorada do que é conhecido como Monte Carlo Quântico (QMC) Técnica: Essencialmente, ele usa amostragem aleatória e teoria da probabilidade para descobrir como grandes grupos de átomos se comportam em massa, grupos que seriam muito difíceis de estudar em um experimento real.

Um segundo método de cálculo – mais capaz de lidar com mais átomos, mas não com precisão – foi então usado para verificar os resultados. Como os resultados coincidem, isso sugere que a técnica QMC aprimorada está funcionando conforme o esperado.

“O aprendizado de máquina nos ensinou muito”, diz Físico David Ceperley da Universidade de Illinois Urbana-Champaign. “Vimos sinais de novo comportamento em nossas simulações anteriores, mas não confiamos neles porque só conseguimos pegar um pequeno número de átomos”.

“Nosso modelo de aprendizado de máquina nos permitiu aproveitar ao máximo os métodos mais precisos e ver o que realmente está acontecendo.”

Simplificando, o componente de aprendizado de máquina melhorou a precisão e o escopo das simulações que os cientistas puderam executar, usando dados existentes e simulações anteriores para tornar as estimativas futuras mais precisas.

O hidrogênio não é apenas o elemento mais comum no universo, mas também o mais simples em termos de seus átomos individuais: um próton e um elétron. Isso significa que novas descobertas sobre o hidrogênio podem afetar quase tudo na física.

Por enquanto, é muito cedo para saber o que significa essa nova fase de hidrogênio sólido, e mais experimentos e simulações são necessários para observá-la com mais detalhes. No entanto, o estudo de planetas cheios de hidrogênio como Júpiter e Saturno é apenas uma área em que esse conhecimento adicional pode ser útil.

“Queremos entender tudo, então devemos começar com sistemas que podemos atacar.” diz Ceperley. “O hidrogênio é simples, então vale a pena saber que podemos lidar com isso.”

A pesquisa foi publicada em Cartas de Verificação Física.