Раньше на поиск одного сверхпроводника уходили годы. Теперь у нас есть способ находить их тысячами. И да, это снова про ИИ

Сверхпроводники ищут десятилетиями, но большая часть находок до сих пор делалась почти вручную, мелким кропотливым трудом: учёные перебирали составы, проверяли расчёты, синтезировали образцы и надеялись, что редкое сочетание атомов даст нужный эффект. Новая работа показывает более короткий путь. Технология машинного обучения помогла отобрать перспективные соединения, а физические расчёты и лабораторные проверки подтвердили два ранее неизвестных сверхпроводника - YRu3B2 и LuRu3B2.

Сверхпроводимость означает, что материал проводит электрический ток без сопротивления. В обычных проводниках часть энергии теряется на нагрев: провода, микросхемы и серверы тратят электричество не только на работу, но и на борьбу с теплом. Сверхпроводник снимает эту проблему, но с жёстким условием: большинство известных соединений работает только при очень низких температурах. Поэтому технологии со сверхпроводниками уже есть в МРТ-сканерах, квантовых компьютерах, термоядерных установках и поездах на магнитной левитации, но требуют сложного охлаждения.

Главная цель отрасли - найти сверхпроводник, который сохранит свойства при комнатной температуре. Такой материал мог бы изменить энергетику, вычисления и дата-центры: ток передавался бы без потерь, а электронные системы меньше уходили бы в нагрев. Но химическое пространство слишком велико. Возможных сочетаний элементов и структур настолько много, что полный перебор превращается в неподъёмную задачу даже для современных суперкомпьютеров.

Новый метод решает проблему через фильтрацию. Сначала алгоритм машинного обучения просматривает огромный массив возможных соединений и отбрасывает слабые кандидаты. Затем для оставшихся составов запускают более тяжёлые квантово-механические расчёты, которые проверяют электронную структуру и вероятность сверхпроводимости. Лаборатория получает не случайный набор веществ, а короткий список соединений с понятной физической мотивацией.

Именно так исследователи вышли на YRu3B2 и LuRu3B2. После компьютерного отбора перспективные составы синтезировали в виде реальных образцов, а затем проверили экспериментально. Оба соединения действительно показали сверхпроводимость. Для поиска новых материалов это важнее рекордных свойств: работа подтвердила, что алгоритм способен не просто угадывать похожие соединения по базе данных, а приводить учёных к веществам, которые можно получить и измерить.

Необычная часть результата связана со структурой электронов. В новых сверхпроводниках электроны образуют решётку кагоме - геометрический узор, названный по японскому плетению корзин. Такая решётка выглядит как сеть из треугольников и шестиугольников. В физике твёрдого тела подобная геометрия интересна тем, что может создавать нестандартные электронные состояния: частицы начинают двигаться и взаимодействовать не так, как в обычной кристаллической решётке. Именно такие эффекты часто делают соединения ценными для сверхпроводимости и квантовых материалов. Сверхпроводящие чипы нового поколения обещают значительно снизить энергопотребление дата-центров.

За десятилетия исследований учёные нашли больше 7000 сверхпроводников, но большинство открытий произошло случайно или после долгого ручного отбора. Теоретически предсказать пригодность материала удавалось лишь для небольшого числа соединений, потому что точные расчёты требуют слишком много времени. Новый подход меняет масштаб поиска: машинное обучение берёт на себя грубый отбор, а дорогие расчёты применяются только там, где есть шанс получить результат.

Исследователи считают, что такой рабочий процесс позволит проверять уже не десятки и сотни, а миллионы и потенциально миллиарды вариантов. Машинное обучение здесь не заменяет физику и не выдаёт окончательный ответ само по себе. Алгоритм работает как сито, которое оставляет наиболее перспективные структуры для дальнейшей проверки. Последнее слово всё равно остаётся за расчётами, синтезом и экспериментом. Физические расчёты на квантовых компьютерах помогают верифицировать результаты и открывать новые материалы.

Проект входит в международную программу по поиску сверхпроводника, работающего при комнатной температуре. Цель поставлена на 2033 год. Два новых соединения не решают эту задачу сразу, но показывают, что поиск можно ускорить без слепого перебора. Для области, где каждый удачный материал обычно стоит лет работы, подтверждённые YRu3B2 и LuRu3B2 дают конкретный результат: алгоритмы уже помогают находить реальные сверхпроводники, а не только красивые кандидаты на экране.