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稠密氫的深度變分自由能方法獲新進(jìn)展
來源：中國科學(xué)院物理研究所
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氫是宇宙中最豐富的元素，也是元素周期表中最簡單的元素。在常溫常壓下，氫以氣態(tài)分子的形式存在。然而，在一些極端的條件下，例如巨行星內(nèi)核、聚變實驗中，稠密的氫(或其同位素)表現(xiàn)出更加豐富的相圖，其中可能包含原子液體、金屬氫、高溫超導(dǎo)、液態(tài)超導(dǎo)等。稠密氫中包含等量的質(zhì)子和電子，是一個簡單干凈的量子多體系統(tǒng)。因此，是否能夠精確地預(yù)測稠密氫的相圖和狀態(tài)方程，是發(fā)展第一性原理計算方法的試金石。
最近，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心凝聚態(tài)理論與計算重點實驗室T02組博士研究生謝浩、李子航和王磊研究員，與北京應(yīng)用物理與計算數(shù)學(xué)研究所的王涵研究員、深勢科技/北京科學(xué)智能研究院的張林峰博士合作，發(fā)展了一套基于深度學(xué)習(xí)技術(shù)的變分自由能計算方法，并成功應(yīng)用于處在原子液體相的稠密氫體系。 此方法使用一套正則化流模型表示質(zhì)子的玻爾茲曼分布、一套費(fèi)米子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)表示給定質(zhì)子構(gòu)型時的多電子波函數(shù)，通過聯(lián)合變分優(yōu)化兩套神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來最小化體系的自由能，從而計算狀態(tài)方程。
和傳統(tǒng)的計算方法相比，該方法充分利用了近年來深度生成模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)波函數(shù)的進(jìn)展：在保證結(jié)果準(zhǔn)確可靠的同時，可以直接估計體系的熱力學(xué)熵，對于行星建模等應(yīng)用非常便利。通過合適的擴(kuò)展，深度變分自由能方法還能夠處理電子有限溫效應(yīng)以及核量子效應(yīng)，從而應(yīng)用于稠密氫相圖的其他區(qū)域，給出關(guān)于這一基本物質(zhì)狀態(tài)的全面認(rèn)識。
該工作近期發(fā)表于物理評論快報Phys. Rev. Lett. 131, 126501 (2023)，文章鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.126501。研究工作得到了中科院先導(dǎo)項目（Grants No. XDB0500000, XDB30000000）和國家自然科學(xué)基金項目（Grants No. 92270107，12188101, 12122103，T2225018，T2121001）的支持。
可參考王磊在加拿大圓周理論物理研究所的報告https://pirsa.org/23060041和開源程序?qū)崿F(xiàn)https://github.com/fermiflow/hydrogen進(jìn)一步了解此工作。
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