Riječ je o Bragg-ovoj staklenoj fazi (Bragg glass phase) kako prenosi Science Alert – neobičnom, naizgled paradoksalnom rasporedu atoma unutar staklastog materijala, gdje su čestice gotovo jednako uređene kao u savršenom kristalu. Znanstvenici nisu bili sigurni postoji li Bragg-ova staklena faza, no ona je otkrivena, skrivena u leguri paladija umetnutoj između slojeva terbija i telura (PdxErTe3). Ovo otkriće, koje je predvodio fizičar Krishnanand Mallayya sa Sveučilišta Cornell i objavljeno u časopisu Nature Physics, ne samo da osvjetljava načine na koje se materijali mogu ponašati, već demonstrira moćan novi skup tehnika za istraživanje atomskih struktura egzotičnih materijala.
Atomi i molekule
Faze o kojima je riječ odnose se na način na koji su atomi i molekule raspoređeni. Faza s dugoročnim redom je ona u kojoj su molekule u kristaliničnom čvrstom tijelu raspoređene u uredan, geometrijski, trodimenzionalni obrazac. Neuredna faza je ona u kojoj su atomi komponenata svi izmiješani. Tekućine su neuredne na ovaj način, ali to su i neki čvrsti materijali, poput stakla.
Između ovih rasporeda, fizičari su predvidjeli postojanje treće faze. To je Bragg-ova staklena faza. Mallayya i njegov tim su pretpostavljali da bi je mogli pronaći u materijalu koji sadrži val gustoće naboja (engl. charge density wave – CDW), pojavu koja se često nalazi u dvodimenzionalnim materijalima i opisuje periodičnu modulaciju gustoće naboja materijala. Zamislite to kao ‘val’ u raspodjeli elektrona.
Izazov u istraživanju
Za svaku od tri faze, CDW se ponaša drugačije. Za fazu s dugoročnim redom, CDW korelira sa strukturom materijala i nastavlja se beskonačno. Za neuredno stanje, raspada se unutar konačne udaljenosti. Za Bragg-ovu staklenu fazu, korelacija se raspada – ali sporije i na većoj udaljenosti nego u neurednom stanju, te se čini da nestaje samo na beskonačnim udaljenostima.
“Izazov,” kaže fizičarka Eun-Ah Kim sa Sveučilišta Cornell, “je otkrivanje ovih razlika iz eksperimentalnih podataka koji također odražavaju stvarne probleme poput šuma i konačne rezolucije eksperimentalnog postava.”
Za otkrivanje faze bilo je potrebno puno truda. Prvo, bilo je tu materijal; PdxErTe3 je pažljivo proučavan od strane znanstvenika iz SLAC-a i Stanforda prije nekoliko godina, i istraživači su utvrdili da bi bio prikladan za njihove namjene. Da bi istražili strukturu materijala, istraživači su poslali svoje uzorke u Argonne National Laboratory. Tamo je PdxErTe3 bombardiran rendgenskim zrakama kako bi se izmjerilo kako svjetlost difraktira od unutrašnjosti materijala.
Strojno učenje
Na kraju, da bi pregledali i analizirali ogromne količine podataka o rendgenskoj difrakciji, istraživači su koristili alat za analizu podataka strojnog učenja nazvan X-ray Temperature Clustering (X-TEC). To im je omogućilo da istraže tisuće CDW-a – “prvi put da su fluktuacije CDW-a analizirane iz više od nekoliko vrhunaca,” napominju istraživači.
Iz asimetrije CDW-a, Mallayya i njegov tim tvrde da su konačno identificirali postojanje Bragg-ove staklene faze, eksperimentalno potvrđujući njezino stvarno postojanje. To predstavlja značajan napredak u razumijevanju ove do sada neuhvatljive faze. Osim što potvrđuju postojeće modele, njihove tehnike bi također trebale biti korisne za buduća istraživanja: alat X-TEC bio je sposoban izvući značajke iz podataka s visokom preciznošću, na visokoj brzini, što obećava mnoga buduća otkrića.
“Koristeći alate strojnog učenja i perspektive znanosti o podacima, možemo se uhvatiti u koštac s izazovnim pitanjima i uočiti suptilne znakove kroz detaljnu analizu podataka,” kaže Kim.
