Suprajohteet – materiaalit, jotka johtavat sähköä ilman vastusta – ovat fyysikkojen sekä unelma että kiusa. Niitä on löydetty yli 7 000, mutta lähes kaikki sattumalta. Nyt Aalto-yliopiston johtama tutkijaryhmä on osoittanut, että tietokone voi tehdä työn järjestelmällisesti.
Ryhmä yhdisti koneoppimisen ja kvanttifysiikan ja löysi kaksi täysin uutta suprajohdetta, YRu3B2 ja LuRu3B2. Vielä olennaisempaa on menetelmä itse: se lupaa nopeuttaa uusien suprajohteiden etsintää tavalla, joka on aiemmin ollut käytännössä mahdoton.
Kone karsii, fysiikka varmistaa
Perinteisesti suprajohteiden etsintä on ollut hidasta. Tutkija valitsee lupaavan aineen, tekee raskaat kvanttilaskennat ja synteesin ja toivoo parasta. Yksi aine kerrallaan.
Uudessa menetelmässä työ jaetaan kahtia. Ensin koneoppimismalli seuloo valtavat määrät alkuaineiden yhdistelmiä ja poimii lupaavimmat ehdokkaat. Vasta sen jälkeen fyysikot tekevät tarkat kvanttilaskennat näille harvoille valituille. Raskas laskenta kohdistuu vain sinne, missä sillä on merkitystä.
Avainkäsite on kvanttigeometria. Uudet suprajohteet saavat ominaisuutensa elektroneista, jotka asettuvat niin sanottuun kagome-hilaan, kuvioon joka muistuttaa japanilaista bambupunontaa. Tällaisessa hilassa elektronit voivat muodostaa litteitä energiakaistoja, ja juuri niiden geometria ennakoi suprajohtavuutta. Kun tämä fysikaalinen vihje syötetään koneoppimismallille, malli osaa etsiä oikeanlaisia rakenteita sen sijaan, että arpoisi umpimähkään.
“Menetelmämme käyttää koneoppimiseen perustuvaa esikarsintaa, jonka jälkeen tehdään kohdennetut laskennat lupaavimmille ehdokkaille. Tämä nopeuttaa suprajohteiden löytämistä huomattavasti tulevaisuudessa.”
Kahdestakymmenestä miljardeihin
Mittakaavaero tekee tuloksesta merkittävän. Yli 7 000 tunnetusta suprajohteesta vain noin 20 on aikanaan ennustettu teoreettisesti etukäteen. Loput on löydetty kokeilemalla ja tuurilla.
Tutkijoiden mukaan koneoppiminen voi kääntää asetelman päälaelleen. Kun laskenta kohdistetaan älykkäästi, käsiteltävien ainekandidaattien määrä voi nousta miljardeihin. Se tarkoittaisi, että materiaalitutkimus siirtyisi sattuman varasta järjestelmälliseen hakuun.
Miksi tavallisen ihmisen pitäisi välittää kahdesta oudonnimisestä yhdisteestä? Koska suprajohteet ovat jo nyt arjen taustalla. Ne pyörittävät sairaaloiden magneettikuvauslaitteita ja hiukkaskiihdyttimiä. Suurin palkinto olisi huoneenlämmössä toimiva suprajohde: se poistaisi sähkönsiirron häviöt, tekisi sähköverkoista tehokkaampia ja voisi keventää kaikkea junista tietokoneisiin. Sellaista ei toistaiseksi ole, ja uudetkin löydöt toimivat kylmässä. Nopeampi hakumenetelmä on kuitenkin juuri se työkalu, jota kentällä on kaivattu.
