ИИ и высокопроизводительные вычисления расширяют возможности эволюции до сверхпроводников

Владельцы чистокровных жеребцов тщательно разводят призовых лошадей на протяжении поколений, чтобы получить доли секунды в гонках за миллион долларов. Ученые в области материалов взяли страницу из этой книги, обращаясь к силе эволюции и искусственного отбора, чтобы разработать сверхпроводники, которые могут передавать электрический ток максимально эффективно.

Возможно, нелогично, но большинство применяемых сверхпроводников могут работать в сильных магнитных полях, потому что они содержат дефекты. Количество, размер, форма и положение дефектов в сверхпроводнике работают вместе, чтобы увеличить пропускную способность электрического тока в присутствии магнитного поля. Слишком много дефектов, однако, может привести к блокированию пути электрического тока или разрушению сверхпроводящего материала, поэтому ученые должны быть избирательными в том, как они включают дефекты в материал.

В новом исследовании, проведенном Министерством энергетики США (Национальная лаборатория DOEArgonne), исследователи использовали мощь искусственного интеллекта и высокопроизводительные суперкомпьютеры для представления и оценки влияния различных конфигураций дефектов на производительность сверхпроводника.

Исследователи разработали компьютерный алгоритм, который рассматривал каждый дефект как биологический ген. Различные комбинации дефектов привели к сверхпроводникам, способным переносить различные величины тока. Как только алгоритм идентифицировал особенно выгодный набор дефектов, он повторно инициализировался с этим набором дефектов как «начальное число», из которого возникли бы новые комбинации дефектов.

«Каждый прогон симуляции эквивалентен образованию дефектов нового поколения, которые алгоритм стремится оптимизировать», — сказал выдающийся научный сотрудник Аргонн и старший специалист по материалам Вай-Квонг Квок, автор исследования. «Со временем дефектные структуры постепенно улучшаются, поскольку мы намеренно выбираем дефектные структуры, которые позволят использовать материалы с самым высоким критическим током».

Причина дефектов, формирующих такую существенную часть сверхпроводника, заключается в их способности улавливать и закреплять магнитные вихри, которые образуются в присутствии магнитного поля. Эти вихри могут свободно перемещаться внутри чистого сверхпроводящего материала при приложении тока. Когда они это делают, они начинают создавать сопротивление, сводя на нет сверхпроводящий эффект. Сохранение вихрей, при этом позволяя току проходить через материал, представляет собой священный грааль для ученых, стремящихся найти способы передачи электроэнергии без потерь в применяемых сверхпроводниках.

Чтобы найти правильную комбинацию дефектов, чтобы остановить движение вихрей, исследователи инициализировали свой алгоритм с дефектами случайной формы и размера. Хотя исследователи знали, что это будет далеко от оптимальной установки, она дала модели набор нейтральных начальных условий для работы. По мере того, как исследователи проходили через последовательные поколения модели, они видели, как первоначальные дефекты трансформировались в столбчатую форму и, в конечном счете, в периодическое расположение плоских дефектов.

«Когда люди думают о целенаправленной эволюции, они могут думать о людях, которые разводят собак или лошадей», — говорит специалист по материалам Argonne Андреас Глатц, соответствующий автор исследования. «Мы являемся примером материалов по дизайну, где компьютер учится у предыдущих поколений наилучшему возможному расположению дефектов».

Один потенциальный недостаток процесса отбора искусственных дефектов заключается в том, что определенные модели дефектов могут укорениться в модели, что приведет к своего рода кальцификации генетических данных. «В определенном смысле вы можете думать об этом как о инбридинге», — сказал Квок. «Сохранение большей части информации в нашем «генофонде» дефектов между поколениями имеет как преимущества, так и ограничения, поскольку не допускает радикальных общесистемных преобразований. Однако наша цифровая «эволюция» может повторяться с различными начальными начальными значениями, чтобы избежать этих проблем».