乍一看，玻璃和水晶可能看起來很相似，然而，當(dāng)放在顯微鏡下觀察時(shí)，它們的結(jié)構(gòu)有很大的不同。晶體具有完美有序和重復(fù)的原子模式，而玻璃則是類似流體的無序結(jié)構(gòu)。

在物理學(xué)中，玻璃態(tài)被認(rèn)為是物質(zhì)的一種特殊形式。在短時(shí)間玻璃表現(xiàn)得很像固體。然而，在較長一段時(shí)間內(nèi)，玻璃表現(xiàn)得更像液體。它正好存在于固體和液體的交匯處，這使得它們的性質(zhì)難以用傳統(tǒng)的物質(zhì)分類來描述。

長期以來，量子研究人員和科學(xué)家一直對玻璃從液體到特殊固體形態(tài)的轉(zhuǎn)變感到困惑。更難以捉摸的是被稱為“布拉格玻璃”的物質(zhì)態(tài)，它同時(shí)表現(xiàn)出有序和無序結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特征。

人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域的最新進(jìn)展為科學(xué)家們解開長期存在的科學(xué)謎團(tuán)提供了機(jī)會(huì)。人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)算法可以篩選大量數(shù)據(jù)集，以識(shí)別復(fù)雜的相關(guān)性，并發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)分析方法無法實(shí)現(xiàn)的模式。

美國能源部(DOE)阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們與斯坦福大學(xué)和康奈爾大學(xué)的合作者一起，利用機(jī)器學(xué)習(xí)發(fā)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)證據(jù)，證明了材料中存在布拉格玻璃態(tài)。

利用大量的x射線散射數(shù)據(jù)和康奈爾大學(xué)開發(fā)的一種新的機(jī)器學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)分析工具，科學(xué)家們能夠研究玻璃的性質(zhì)。雖然布拉格玻璃態(tài)的理論預(yù)測已經(jīng)有三十多年了，但具體的實(shí)驗(yàn)證據(jù)一直缺乏，直到現(xiàn)在。

“我們可以在短時(shí)間內(nèi)收集大量的x射線數(shù)據(jù)，而人工分析這些數(shù)據(jù)可能會(huì)導(dǎo)致只見樹木不見森林。”阿貢國家實(shí)驗(yàn)室材料科學(xué)部的高級物理學(xué)家、該研究的作者之一Ray Osborn說，“結(jié)合尖端的x射線和計(jì)算技術(shù)，我們能夠發(fā)現(xiàn)布拉格玻璃態(tài)獨(dú)有的特征。”

在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家們在ErTe3的晶體基中尋找難以捉摸的布拉格玻璃態(tài)，眾所周知，ErTe3的結(jié)構(gòu)具有特定的遠(yuǎn)程秩序，科學(xué)家稱之為電荷密度波(CDW)。

大約三十年前，理論上認(rèn)為，如果一些“混沌”可以引入到結(jié)構(gòu)的其他有序狀態(tài)，CDW材料可以承載布拉格玻璃態(tài)。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家們將鈀原子隨機(jī)分布到結(jié)構(gòu)中，以制造一些無序。

對無序樣品進(jìn)行x射線散射，并記錄每個(gè)晶體的三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。在30K至300K的溫度范圍內(nèi)收集數(shù)據(jù)樣本，以分析結(jié)構(gòu)如何變化。

然后使用機(jī)器學(xué)習(xí)工具分析了數(shù)百Gb的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)證實(shí)，在一定的過渡溫度下，樣本凍結(jié)成具有大量遠(yuǎn)程秩序的狀態(tài)，同時(shí)也顯示出局部特征。這證實(shí)了布拉格玻璃態(tài)的實(shí)驗(yàn)檢測。

從這個(gè)實(shí)驗(yàn)中得到的見解也突出了人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)算法在數(shù)字時(shí)代科學(xué)發(fā)現(xiàn)中的力量。這一發(fā)現(xiàn)有助于更好地從根本上理解物質(zhì)的相變。它還有助于超導(dǎo)和磁性領(lǐng)域的進(jìn)步。此外，研究結(jié)果還可以用于開發(fā)各種應(yīng)用的新材料。