RUS a través de T HO en URu 2 Si 2 . (A) Modos propios de resonancia esquemática obtenidos como solución a la ecuación de onda elástica 3D. Cada modo contiene una proporción única de las cinco cepas irreductibles. (B) Espectro ultrasónico a temperatura ambiente de la muestra S1, se muestra entre 500 kHz y 1 MHz. (C) Evolución de la temperatura de siete resonancias características, de 29 resonancias totales medidas, cerca de la transición HO:los gráficos se desplazan verticalmente para mayor claridad. Tres resonancias (672, 713, y 1564 kHz) muestran saltos en THO (el recuadro ilustra lo que se entiende por salto), mientras que los demás no, lo que significa contribuciones de diferentes canales de simetría. Crédito: Avances de la ciencia (2020). DOI:10.1126 / sciadv.aaz4074
Las temperaturas extremas pueden provocar efectos extraños en los metales. En calor severo, el hierro deja de ser magnético. En un frío devastador el plomo se convierte en superconductor.
Durante los últimos 30 años, Los físicos se han quedado perplejos por lo que sucede exactamente con el siliciuro de uranio y rutenio (URu 2 Si 2 ) a 17,5 kelvin (menos 256 grados Celsius). Midiendo la capacidad calorífica y otras características, pueden decir que se somete a algún tipo de transición de fase, pero eso es todo lo que cualquiera puede decir con certeza. Abundan muchas teorías.
Una colaboración de Cornell dirigida por el físico Brad Ramshaw, el profesor asistente Dick &Dale Reis Johnson en la Facultad de Artes y Ciencias, utilizó una combinación de ultrasonido y aprendizaje automático para acotar las posibles explicaciones de lo que le sucede a este material cuántico cuando entra en este llamado "orden oculto".
Su papel "Parámetro de pedido de un componente en URu 2 Si 2 Descubierto por la espectroscopia de ultrasonido resonante y el aprendizaje automático "publicado el 6 de marzo en Avances de la ciencia .
"En siliciuro de uranio y rutenio, no tenemos idea de lo que hacen los electrones en el estado de orden oculto, "dijo Ramshaw, el autor principal del artículo. "Sabemos que no se vuelven magnéticos, sabemos que no se vuelven superconductores, pero que estan haciendo Hay muchas posibilidades:orden orbital, ondas de densidad de carga, transiciones de valencia, pero es difícil diferenciar estos diferentes estados de la materia. Entonces los electrones se están 'escondiendo, ' en ese sentido."
Ramshaw y su estudiante de doctorado Sayak Ghosh utilizaron espectroscopía de ultrasonido de alta resolución para examinar las propiedades de simetría de un cristal único de URu2Si2 y cómo estas propiedades cambian durante la transición de fase de orden oculto. La mayoría de las transiciones de fase van acompañadas de un cambio en las propiedades de simetría. Por ejemplo, los sólidos tienen todos sus átomos alineados de manera organizada, mientras que los líquidos no. Estos cambios en la simetría no siempre son obvios, y puede ser difícil de detectar experimentalmente.
"Al observar la simetría, no tenemos que conocer todos los detalles sobre lo que está haciendo el uranio, o lo que hace el rutenio. Podemos analizar cómo se ve la simetría del sistema antes de la transición de fase, y como se cuida, ", Dijo Ramshaw." Y eso nos permite tomar esa tabla de posibilidades que los teóricos han ideado y decir:'Bien, estos no son consistentes con la simetría antes y después de la transición de fase, pero estos lo son. Qué lindo, porque es raro que puedas hacer afirmaciones tan definitivas de sí o no ".
Sin embargo, los investigadores encontraron un problema. Para analizar los datos de ultrasonido, normalmente lo modelarían con mecánica ondulatoria. Pero para estudiar la forma más pura de URu2Si2, tuvieron que usar una más pequeña, muestra más limpia. Este "chip hexagonal de forma extraña, "Ramshaw dijo, era demasiado pequeño y tenía demasiada incertidumbre para una solución simple de mecánica de ondas.
Entonces Ramshaw y Ghosh se volvieron hacia Eun-Ah Kim, profesor de física y coautor del artículo, y su estudiante de doctorado Michael Matty, para producir un algoritmo de aprendizaje automático que pudiera analizar los datos y descubrir patrones subyacentes.
"El aprendizaje automático no es solo para datos similares a imágenes o macrodatos, ", Dijo Kim." Puede cambiar drásticamente el análisis de cualquier dato con complejidad que evade el modelado manual ".
"Es dificil, porque los datos son solo una lista de números. Sin ningún tipo de método, no tiene estructura, y es imposible aprender nada de eso, "dijo Matty, coautor principal del artículo con Ghosh. "El aprendizaje automático es muy bueno para aprender funciones. Pero debes realizar la capacitación correctamente. La idea era:hay alguna función que asigna esta lista de números a una clase de teorías. Dado un conjunto de datos aproximados numéricamente, podríamos hacer lo que es efectivamente una regresión para aprender una función que nos interprete los datos ".
Los resultados del algoritmo de aprendizaje automático eliminaron aproximadamente la mitad de las más de 20 posibles explicaciones del orden oculto. Es posible que aún no resuelva el acertijo de URu2Si2, pero ha creado un nuevo enfoque para abordar problemas de análisis de datos en física experimental.
El algoritmo del equipo se puede aplicar a otros materiales y técnicas cuánticas, más notablemente espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN), el proceso fundamental detrás de la resonancia magnética (MRI). Ramshaw también planea utilizar la nueva técnica para abordar las geometrías rebeldes del telururo de uranio. un potencial superconductor topológico que podría ser una plataforma para la computación cuántica.
