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稠密氫的深度變分自由能方法獲新進展
來源：中國科學院物理研究所
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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、液態(tài)超導等。稠密氫中包含等量的質子和電子，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，與北京應用物理與計算數(shù)學研究所的王涵研究員、深勢科技/北京科學智能研究院的張林峰博士合作，發(fā)展了一套基于深度學習技術的變分自由能計算方法，并成功應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子的玻爾茲曼分布、一套費米子神經(jīng)網(wǎng)絡表示給定質子構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)絡波函數(shù)的進展：在保證結果準確可靠的同時，可以直接估計體系的熱力學熵，對于行星建模等應用非常便利。通過合適的擴展，深度變分自由能方法還能夠處理電子有限溫效應以及核量子效應，從而應用于稠密氫相圖的其他區(qū)域，給出關于這一基本物質狀態(tài)的全面認識。
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項目（Grants No. XDB0500000, XDB30000000）和國家自然科學基金項目（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和開源程序實現(xiàn)https://github.com/fermiflow/hydrogen進一步了解此工作。
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