新發(fā)現(xiàn)可能導(dǎo)致更便宜的太陽能電池

在原子尺度上，材料可以顯示豐富的動態(tài)行為，直接影響這些材料的物理性質(zhì)。多年來，使用計算機模擬在不同溫度下描述復(fù)雜材料中的這些動力學(xué)一直是一個夢想。維也納大學(xué)的物理學(xué)家開發(fā)了一種即時機器學(xué)習(xí)方法，通過直接集成到基于量子力學(xué)的維也納Ab-initio模擬包(VASP)來實現(xiàn)這種計算。發(fā)表在“ 物理評論快報 ”雜志上的新發(fā)現(xiàn)證明了自學(xué)方法的多功能性，關(guān)于雜化鈣鈦礦的相變。由于它們在太陽能收集和其他應(yīng)用中的潛力，這些鈣鈦礦具有很大的科學(xué)價值。

在室溫下，所有材料都在原子尺度上不斷移動。即使是堅硬的巖石也是由擺動的原子組成的。材料的物理性質(zhì)與所謂的晶格中的原子排列直接相關(guān)。取決于溫度或壓力，這種布置可以改變，從而影響材料性質(zhì)。人們可以想到鉆石，由于鉆石晶體中碳原子的周期性排列，鉆石是透明和堅硬的。相同的原子排列不同，會產(chǎn)生黑色脆性石墨。通過量子力學(xué)分子動力學(xué)(MD)模擬，已經(jīng)可以在不同溫度下精確計算原子在簡單材料中的坐標(biāo)。然而，

來自維也納大學(xué)計算材料物理小組的物理學(xué)家開發(fā)出一種新方法，克服了這些局限，并對復(fù)雜材料進行了模擬可能的未來能源應(yīng)用。這是通過開發(fā)高效且強大的數(shù)據(jù)驅(qū)動自學(xué)習(xí)算法實現(xiàn)的，最重要的是，通過將該算法直接集成到維也納Ab-initio仿真包(VASP)中。在新方法中，“機器”可以自己獲取在MD模擬過程中對相互作用原子進行簡單模型描述的基本要素。在計算了幾百個時間步長之后，機器可以在連續(xù)的時間步長中準(zhǔn)確地預(yù)測原子的位置。機器還能夠估計連續(xù)步驟的準(zhǔn)確性。如果誤差過高，機器會切換齒輪并執(zhí)行非常精確但昂貴的MD計算。仿真時間越長，機器學(xué)得越多，它就越精確。通過這種方式，需要越來越少的MD計算，這最終導(dǎo)致所有時間步長由機器完成的情況。此外，即時自學(xué)習(xí)能力減少了其他現(xiàn)有機器學(xué)習(xí)方法所需的人為干預(yù)。

為了證明這種新方法的強大功能，研究人員將其應(yīng)用于研究MAPbI 3 鈣鈦礦不同原子結(jié)構(gòu)之間的轉(zhuǎn)變。在改變溫度。這種材料非常受歡迎，因為它具有作為新型廉價太陽能電池組件的潛力。它由有機分子組成，可以快速翻轉(zhuǎn)，通過由鉛和碘原子組成的晶格彼此分開。根據(jù)溫度，形成三種不同的晶相。轉(zhuǎn)換溫度附近的原子機制很難通過實驗確定，并且即使在現(xiàn)代超級計算系統(tǒng)上，MD模擬也需要數(shù)年的計算時間。學(xué)習(xí)后，機器可以前所未有的精度預(yù)測這種材料的相變溫度和晶格常數(shù)。所開發(fā)的方法是通用的并且適用于許多其他未來材料 科學(xué)問題將在即將發(fā)布的VASP版本中以字典方式提供給研究人員。