Новый метод устраняет препятствие в предсказании кристаллических структур, исследует недра Земли

Исследователи из Сколтеха, МФТИ и ВНИИА предложили метод, который позволяет значительно снизить вычислительные затраты и предсказывать структуры материалов при любых температурах. Команда сообщает о своих результатах для структуры железа во внутреннем ядре и силиката магния в нижней мантии Земли.

Новый подход уточняет существующие представления. Используя традиционный метод, подобные расчёты для любой ненулевой температуры были бы непомерно дороги из-за требуемого объёма времени на суперкомпьютерах. Опубликованный в npj Computational Materials метод теперь можно применять и для изучения других материалов.

«До этого исследования можно было предсказать, как данный набор атомов расположится в пространстве при определённом давлении, но поиск правильной структуры можно было проводить только при абсолютном нуле температуры, что, конечно, сильно отличается от условий внутри Земли», — прокомментировал руководитель исследования, профессор Сколтеха Артём Р. Оганов.

Авторы исследования нашли способ радикально снизить вычислительные затраты на решение этой проблемы без потери качества предсказания. Они применили свою технику для вклада в два текущих научных спора: какова точная структура атомов железа в ядре Земли? И где именно в нижней мантии силикат магния переходит из одной фазы в другую? Эти нерешённые вопросы имеют значение для долгосрочной температурной эволюции планеты.

«Уточняя фазовые диаграммы силиката магния и железа, мы подтверждаем, во-первых, что железо должно иметь так называемую гексагональную плотноупакованную кристаллическую структуру в твёрдом внутреннем ядре Земли. При этом расчёт предполагает чистое железо в ядре, без учёта примесей, которые необходимо рассмотреть в будущих исследованиях. А во-вторых, мы уточнили границу фазового перехода для силиката магния, доминирующего в мантии Земли. Это в сочетании с сейсмологическими данными позволяет нам оценить распределение температуры в мантии нашей планеты», — сказал Оганов.

Новый вычислительно эффективный метод опирается на три основы, обеспечивающие качественные результаты при умеренных вычислительных затратах. Во-первых, крайне сложные квантово-механические вычисления заменяются так называемыми потенциалами машинного обучения, которые рассчитываются гораздо проще и почти так же точны.

Во-вторых, создатели метода использовали термодинамическую теорию возмущений, чтобы повысить точность «почти точных» результатов до уровня, эквивалентного квантово-механическим расчётам, с умеренными дополнительными затратами.

В-третьих, некоторые аспекты предсказания для ненулевых температур оказались вычислительно выгодными: одна из причин сложности предсказания стабильных структур — огромное число возможностей, соответствующих локальным энергетическим минимумам системы. Но чем выше температура, тем меньше таких локальных минимумов существует, что облегчает расчёты.

Помимо железа и силиката магния, команда также протестировала свою технику на алюминии, бориде вольфрама и диоксиде гафния и ожидает, что новый подход даст результаты и при применении к другим материалам.