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 Дистанционное зондирование из космоса выявило 280 гигантских каменных кругов, разбросанных по пустыне Атбай в Судане. Исследователи пришли к выводу, что это погребальные сооружения, оставленные исчезнувшей культурой скотоводов. Эти люди пасли здесь стада в четвертом-третьем тысячелетии до нашей эры, когда климат в пустыне был более влажным.
Авторы нового исследования выяснили, почему летающие насекомые так не любят чеснок: в нем содержится органическое вещество, подавляющее процесс спаривания и откладывания яиц. Причем мух и комаров отпугивает не запах, а вкус чеснока, поскольку это соединение особым образом воздействует на вкусовые рецепторы.
Вопрос формирования первых континентов на Земле до сих пор вызывает научные дискуссии. Исследование состава древнейших известных минералов, сохранившихся в архейских магматических горных породах Австралии, стало новым подтверждением того, что континенты появились в результате субдукции 3,5 миллиарда лет назад.
Нейробиологи СПбГУ продемонстрировали, что активация рецептора следовых аминов TAAR1 эффективно подавляет агрессивное поведение, вызванное полным отсутствием серотонина в мозге. В дальнейшем этот результат поможет в разработке лекарственных препаратов, направленных на коррекцию патологических форм агрессии, возникающих при посттравматическом стрессовом расстройстве (ПТСР) и шизофрении.
Крупные травоядные утконосые майазавры известны своим развитым социальным поведением. Они жили семьями и строили гнезда для своих детенышей. Даже название вида переводится с греческого языка как «ящер — хорошая мать». Исследование окаменелых зубов майазавров показало, что они выращивали детенышей совсем не так, как это считалось типичным для животных глубокой древности.
Астрономы впервые использовали гравитационные волны, чтобы косвенно оценить параметры одного из ключевых процессов термоядерного горения в массивных светилах. Именно от него зависит, какие звезды взрываются, какие превращаются в черные дыры и как во Вселенной появляются углерод и кислород — элементы, без которых не было бы ни планет, ни жизни.
В последнее время пуски с российских северных космодромов осуществляют без предварительного уведомления, чего не было в прошлом. Вероятно, дело в недавно упомянутых главой «Роскосмоса» атаках на Плесецк во время пуска. Сегодняшний запуск обеспечил вывод на орбиту космических аппаратов военного назначения.
Химические связи в материале, из которого сделана электроника, разрываются не из-за накопительного износа от протекания тока через них, а из-за электронов с конкретной энергией.
Термоядерные электростанции не смогут конкурировать по цене с возобновляемыми источниками энергии из-за медленного удешевления технологии. По расчетам, расходы на каждую новую установку падали максимум на 8% — много раз ниже ранних ожиданий венчурных инвесторов. Это перечеркивает экономический смысл финансовых вливаний, и мир может никогда не увидеть дешевой термоядерной энергии.
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