Специалисты из Института теоретической физики имени Л.Д. Ландау РАН и аспиранты из НИУ ВШЭ разработали новый подход для изучения вещества в момент перехода из одного состояния в другое. Исследователям удалось проанализировать внутреннее состояние системы в критической точке фазового перехода. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review E. Исследование поддержано грантом Российского научного фонда.

Фазовый переход первого рода — это процесс превращения вещества из одного состояния в другое, например таяние льда при 0°С или кипение воды при 100°С. Особенность таких переходов в том, что состояние вещества меняется резко при определённой критической температуре. В этой точке вещество существует как смесь двух фаз одновременно.

Группа российских учёных создала метод, позволяющий изучать происходящее с веществом в момент фазового перехода. Для исследования был взят пример таяния льда.

На первом этапе работы учёные использовали суперкомпьютер НИУ ВШЭ CHARISMA. С помощью компьютера исследователи математически «заморозили» систему в точке перехода, когда одновременно существуют лёд и вода. Этот процесс повторялся тысячи раз для создания множества различных «копий» системы в уникальных состояниях превращения. Такой подход помог собрать большой объём данных о поведении системы в критической точке.

Далее исследователи применили метод глубокого машинного обучения. Алгоритм научили распознавать три фазы: воду, лёд и их смесь. Трёхфазный подход позволил более изучить критическую точку и понять процессы внутри неё. Учёным удалось оценить вероятность нахождения вещества в каждом из состояний, что ранее было невозможно.

Разработанный метод классификации открывает возможности для изучения сложных систем в физике, химии и материаловедении. Понимание фазовых переходов первого рода важно для создания новых сплавов, полимеров и функциональных материалов, например, с эффектом памяти формы. Умение точно предсказывать условия перехода поможет моделировать материалы с заданными свойствами.

Руководитель проекта, доктор физико‑математических наук, заведующий лабораторией вычислительной физики НИУ ВШЭ и главный научный сотрудник Института теоретической физики имени Л.Д. Ландау РАН Лев Щур рассказал, что комбинация компьютерных технологий для получения большого набора данных и методов машинного обучения для анализа позволила по‑новому посмотреть на фазовый переход первого рода. По словам Щура, исследователям фактически удалось заглянуть внутрь критической точки.

В дальнейшем учёные планируют детально изучить геометрические фазовые переходы в смешанном состоянии. Как отмечает руководитель проекта, существует гипотеза, что вероятность образования в смешанном состоянии кластера, достигающего макроскопических размеров, конечна. Новый метод позволит придать этой гипотезе более чёткую формулировку с оценкой такой вероятности, считает Щур.