37 молекул и 900 манипуляций за 25 часов. Искусственный интеллект в одиночку построил работающую кристаллическую решетку
Больше суток без перерыва, 37 молекул и около 900 циклов манипуляции. Система Ок-Риджской национальной лаборатории США научилась почти самостоятельно собирать искусственные структуры молекула за молекулой и построила решётку, электроны в которой ведут себя как в графене.
Команда работала с молекулами угарного газа CO на поверхности меди Cu(111). Перемещать отдельные молекулы позволяет сканирующий туннельный микроскоп с чрезвычайно острым наконечником. Ручная сборка требует постоянно подбирать напряжение, туннельный ток, скорость движения и траекторию, причём неудачное действие способно нарушить состояние самого наконечника.
Автоматическая система разделила задачу между несколькими алгоритмами. YOLO находил молекулы на изображениях поверхности, отдельный алгоритм сопоставлял каждую молекулу с целевой позицией, а обучение с подкреплением подбирало напряжение, ток и скорость перемещения. За удачный перенос модель получала более высокую награду и постепенно отказывалась от менее надёжных вариантов.
Сначала программа собрала опыт на случайных параметрах. В дополнительных материалах к работе первые 100 действий относятся к случайной выборке, после чего управление переходит к обученной модели. Во время сборки алгоритм продолжал корректировать параметры, учитывал направление решётки меди, прокладывал траектории в обход уже размещённых молекул и компенсировал дрейф изображения.
Главным испытанием стала структура из 37 молекул в форме правильных шестиугольников. Настоящим графеном образец не является. Молекулы CO создают на поверхности меди искусственный потенциал для электронов, позволяя воспроизвести нужную электронную структуру. Спектроскопия обнаружила характерную точку Дирака, поэтому полученная решётка действительно приобрела ожидаемые графеноподобные свойства.
Полностью автономной установку пока назвать нельзя. Сборка 37-молекулярной структуры заняла около 25 часов и потребовала примерно 900 итераций, причём один цикл занимал приблизительно минуту. Система могла работать много часов без оператора, однако человеку приходилось вмешиваться, когда наконечник микроскопа терял стабильность и требовал восстановления.
Следующим шагом авторы называют обратное проектирование. Специалист сможет задать нужное электронное свойство, а алгоритм рассчитает подходящую геометрию и попытается собрать структуру самостоятельно. Авторы работы ACS Nano связывают подход с будущими искусственными квантовыми материалами и топологическими кубитами, хотя до масштабного производства подобных устройств пока далеко.
Управляемая сборка вещества на предельно малых масштабах развивается сразу несколькими путями. В августе физики показали, как можно выстраивать атомы в сложные заранее заданные фигуры, превратив атомную архитектуру из красивой демонстрации в инструмент для будущих квантовых систем.
Необычная геометрия вещества способна менять свойства электронов даже без появления нового химического состава. Весной два эксперимента обнаружили состояние, при котором максимум заряда возникает в пустом узле кристаллической решётки. Подобные результаты показывают, почему возможность буквально проектировать расположение частиц привлекает физиков не меньше, чем поиск новых материалов.