Нейросети помогли понять сложное взаимодействие электронов
Ученые из Центра технологий материалов Сколтеха продемонстрировали работоспособность нейросетевого метода для создания точного обменно-корреляционного функционала, который является центральным компонентом в теории функционала плотности — основном численном методе физики конденсированного состояния и квантовой химии. С его помощью рассчитывают базовые свойства материалов и молекул, например, при поиске новых материалов и лекарств. В числе таких свойств реакционная способность соединений, прочность, зонная структура и другие.
Исследование, в котором представлена перспективная архитектура нейросети и ее анализ, опубликовано в Scientific Reports. Движение электронов в материи описывается многоэлектронным уравнением Шредингера и определяет свойства, связанные с электронной структурой. Например, химическая связь (основное понятие в химии) как раз и представляет собой сложное коррелированное движение электронов, происходящее по законам квантовой механики.
Концептуальная проблема многоэлектронного уравнения Шредингера такова: хотя его достаточно просто выписать, аналитического решения пока не найдено, а численное решение является крайне сложной и комплексной задачей. Одним из основных методов является метод среднего поля (плотности), в котором сложное взаимодействие электронов друг с другом описывается эффективным потенциалом.
«В теории функционала плотности используется упрощение: вместо отдельных электронов рассматривается электронное облако с некоторой локальной плотностью», — рассказывает первый автор исследования, инженер-исследователь Сколтеха Александр Рябов.
«Однако в этой теории есть одна величина, точное значение которой неизвестно, — продолжает ученый. — Она называется обменно-корреляционным функционалом, и до недавнего времени ее аппроксимировали аналитически: коэффициенты в функциональной форме находили без использования нейросетей, на основании набора известных физических принципов. Наш же метод впервые использует для этого двухкомпонентную нейросеть. Нейросети как таковые применяются для этой задачи особенно активно на протяжении последних нескольких лет, но мы первопроходцы этой области в России».
По словам исследователей, основное новшество их подхода — применение двухстадийного метода обучения: сначала обучается одна нейросеть, после чего ее веса замораживаются и обучается вторая.
«В предыдущих работах нейросетью аппроксимировали обменно-кореляционный функционал, после чего необходимо было брать вычислительно затратные производные, чтобы получить соответствующий обменно-корреляционный потенциал. Такие производные зачастую сложно вычислить с хорошей точностью с применением нейросети. В нашей работе двухкомпонентная сеть одновременно аппроксимирует и потенциал, и функционал. Брать тяжелые производные не нужно, и вычислительная нагрузка снижается», — рассказывает старший научный сотрудник Сколтеха Петр Жиляев.
«Для реализации всех поставленных экспериментов в нашей статье мы внедрили нейросеть в программный пакет квантовой химии Octopus. Также мы изучили, как на процесс обучения влияют несамосогласованные плотности. После добавления таких плотностей в обучающую выборку мы отметили улучшение работы на тех молекулах, на которых нейросеть прежде давала наихудшие результаты», — дополняет Рябов.
Telegram 
Дзен 
VK Инфекции, такие как коронавирус, наносят серьезный удар организму, из-за чего даже после выздоровления он продолжительное время остается уязвимым. Сегодня для оценки иммунитета врачи смотрят в первую очередь на уровень антител в крови, однако такой подход не отражает реального состояния здоровья человека. Это не позволяет врачам точно прогнозировать, как будет протекать болезнь и насколько быстро пациент выздоровеет. Ученые Пермского Политеха и ПГАТУ впервые выяснили, как именно восстановление иммунитета зависит от пола человека и кто наиболее подвержен осложнениям после коронавирусной инфекции. Результаты исследования помогут правильно учитывать гендерные особенности пациента при лечении и реабилитации, что повысит точность прогнозов и эффективность терапии.
Плавящийся асфальт в США, многие тысячи погибших в Западной Европе, своеобразное лето в России — все это списывают на вредоносный феномен рекордного Эль-Ниньо. И конечно же, на него спихивают и ожидаемый рост цен на кофе и основные сельхозтовары. Правда, есть в этой картине и белые пятна: в прошлые Эль-Ниньо мировые урожаи росли. Что скорее всего случится в 2026 году и отчего роль этого события может быть куда больше, чем мы думаем?
Ученые синтезировали три новых комплекса металла европия и нашли способ управлять яркостью их свечения (люминесценции). Подобные светящиеся соединения востребованы в биологии и медицине для визуализации тканей и отслеживания распределения лекарств по организму, а также в технике при разработке энергоэффективных дисплеев и светодиодов.
Анализ более 150 тысяч древних звезд Млечного Пути показал, что возраст космоса, судя по всему, близок к 13,8 миллиарда лет. Авторы нового исследования заключили, что сценарии, в которых Вселенную приходится делать заметно «моложе» ради решения хаббловского кризиса, плохо согласуются с наблюдениями. Это важно, поскольку возраст старейших светил — один из немногих независимых способов проверить космологические модели не по данным ранней Вселенной, а по объектам нашей собственной Галактики.
Сканирующая туннельная микроскопия достигла квантово-механического предела пространства-времени. Физики провели эксперимент и смоделировали перемещение одиночного электрона с атомарной точностью и скоростью в доли фемтосекунды. Результат показал границы применимости квантовых законов и объяснил механику сверхбыстрых процессов.
Инфекции, такие как коронавирус, наносят серьезный удар организму, из-за чего даже после выздоровления он продолжительное время остается уязвимым. Сегодня для оценки иммунитета врачи смотрят в первую очередь на уровень антител в крови, однако такой подход не отражает реального состояния здоровья человека. Это не позволяет врачам точно прогнозировать, как будет протекать болезнь и насколько быстро пациент выздоровеет. Ученые Пермского Политеха и ПГАТУ впервые выяснили, как именно восстановление иммунитета зависит от пола человека и кто наиболее подвержен осложнениям после коронавирусной инфекции. Результаты исследования помогут правильно учитывать гендерные особенности пациента при лечении и реабилитации, что повысит точность прогнозов и эффективность терапии.
Хотя длительность помех не превышала десяти секунд, это первый известный случай такого рода. Обычно спутникам не хватает мощности для создания радиосигналов той силы, что нужна для подобных помех.
Вселенная может оказаться «замкнутой» глобальной структурой, где свет от далеких галактик способен возвращаться к наблюдателю с разных направлений. Именно такой сценарий не удалось исключить авторам нового масштабного обзора. Проверить его предсказания астрономы смогут уже в ближайшие годы.
Ученые впервые на молекулярном уровне доказали, что обычная вода одновременно состоит из двух разных жидких состояний — более плотного и менее плотного, которые непрерывно сменяют друг друга. Раз молекулярная «двойственность» действительно существует, это подтверждает спорную 30-летнюю гипотезу. Новое открытие поможет, наконец, объяснить десятки «странных» физических аномалий воды, включая ее расширение при замерзании и парадоксальное изменение вязкости под давлением.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно