對(duì)電子復(fù)雜行為的理解促使了一些改變社會(huì)的發(fā)現(xiàn)，比如晶體管的發(fā)明使計(jì)算機(jī)革命成為可能。今天，通過技術(shù)的進(jìn)步，人們可以比過去更深入地研究電子行為，從而有可能實(shí)現(xiàn)像個(gè)人電腦那樣改變世界的科學(xué)突破。然而，這些工具生成的數(shù)據(jù)太復(fù)雜，人類無法解釋?？苾?nèi)爾領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種利用機(jī)器學(xué)習(xí)來分析掃描隧道顯微鏡(STM)生成數(shù)據(jù)的方法，掃描隧道顯微鏡是一種技術(shù)，它可以生成亞原子尺度的圖像。
顯示不同能量下材料表面的電子運(yùn)動(dòng)，提供任何其他方法都無法獲得的信息，物理學(xué)教授Eun-Ah Kim說：其中一些照片是用20年來被認(rèn)為是重要而神秘的材料拍攝，想知道這些照片中隱藏著什么樣的秘密，想要解開這些秘密。
其研究2019年6月19日發(fā)表在《自然》上，第一作者是張毅，他曾是Kim實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員，現(xiàn)在在中國(guó)北京大學(xué)，和Andrej Mesaros（曾是Kim實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員，現(xiàn)在在法國(guó)巴黎南方大學(xué)）。
合著者包括J.C. Seamus Davis，康奈爾大學(xué)James Gilbert White杰出的物理科學(xué)教授，stm驅(qū)動(dòng)研究的創(chuàng)新者。這項(xiàng)研究對(duì)電子如何相互作用產(chǎn)生了新的見解，并展示了如何利用機(jī)器學(xué)習(xí)來推動(dòng)實(shí)驗(yàn)量子物理學(xué)的進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)。在亞原子尺度上，一個(gè)給定的樣本將包括數(shù)萬億個(gè)相互作用的電子和周圍環(huán)境，電子的行為在一定程度上是由它們兩種相互競(jìng)爭(zhēng)傾向之間的張力決定：移動(dòng)，與動(dòng)能有關(guān)；遠(yuǎn)離彼此，與排斥相互作用能有關(guān)。
在這項(xiàng)研究中，Kim和合作者著手發(fā)現(xiàn)在高溫超導(dǎo)材料中哪種傾向更重要。利用STM，電子在顯微鏡的導(dǎo)電端和被檢測(cè)樣品表面之間通過真空隧道，提供了關(guān)于電子行為的詳細(xì)信息。問題是，當(dāng)把這樣的數(shù)據(jù)記錄下來，得到類似圖像的數(shù)據(jù)，但它不是像蘋果或梨那樣的自然圖像，儀器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)更像一個(gè)圖形，比傳統(tǒng)的測(cè)量曲線復(fù)雜一萬倍左右，我們沒有一個(gè)好的工具來研究這類數(shù)據(jù)集。
為了解釋這些數(shù)據(jù)，研究人員模擬了一個(gè)理想的環(huán)境，并添加了會(huì)導(dǎo)致電子行為變化的因素。然后訓(xùn)練了一個(gè)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(一種人工智能，可以使用受大腦工作方式啟發(fā)的方法學(xué)習(xí)特定任務(wù))來識(shí)別與不同理論相關(guān)的環(huán)境。當(dāng)研究人員將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)會(huì)決定哪一種理論與實(shí)際數(shù)據(jù)最相似。這種方法證實(shí)了排斥相互作用能對(duì)電子行為影響更大的假設(shè)。
更好地理解在不同材料和不同條件下有多少電子相互作用，可能會(huì)導(dǎo)致更多的發(fā)現(xiàn)，包括新材料的開發(fā)。導(dǎo)致晶體管最初革命的材料實(shí)際上是非常簡(jiǎn)單的材料，現(xiàn)在我們有能力設(shè)計(jì)更復(fù)雜的材料，如果這些強(qiáng)大的工具能夠揭示出通向理想屬性的重要方面，希望能夠利用這種屬性制作出一種材料。
