Cornell-Quantenforscher haben mithilfe großer Mengen an Röntgendaten und eines neuen Datenanalysetools für maschinelles Lernen eine schwer fassbare Phase der Materie entdeckt, die sogenannte Bragg-Glasphase. Die Entdeckung klärt eine seit langem bestehende Frage, ob dieser fast – aber nicht ganz – geordnete Zustand von Bragg-Glas in realen Materialien existieren kann.
Der Artikel „Bragg-Glassignaturen in PdxErTe3 mit Röntgenbeugungs-Temperatur-Clustering (X-TEC)“ lautet veröffentlicht In Naturphysik. Der Hauptautor ist Krishnanand Madhukar Mallayya, ein Postdoktorand am Fachbereich Physik des College of Arts and Sciences (A&S). Eun-Ah Kim, Professorin für Physik (A&S), ist die korrespondierende Autorin. Die Forschung wurde in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern des Argonne National Laboratory und der Stanford University durchgeführt.
Die Forscher präsentieren den ersten Beweis einer Bragg-Glasphase, die durch Röntgenstreuung nachgewiesen wurde. Hierbei handelt es sich um eine Sonde, die in einer systematisch ungeordneten Ladungsdichtewelle auf die gesamte Masse eines Materials und nicht nur auf die Oberfläche eines Materials zugreift ( CDW)-Material, PdxErTe3. Sie nutzten umfassende Röntgendaten und ein neuartiges Datenanalysetool für maschinelles Lernen, X-ray Temperature Clustering (X-TEC).
„Trotz seiner theoretischen Vorhersage vor drei Jahrzehnten fehlten konkrete experimentelle Beweise für CDW-Bragg-Glas in der Masse des Kristalls“, sagte Mallayya.
Theoretisch gebe es eine scharfe Unterscheidung zwischen drei Phasen: Fernordnung, Bragg-Glas und ungeordneter Zustand, sagte Kim. Im ungeordneten Zustand nimmt die CDW-Korrelation innerhalb einer endlichen Distanz ab. Im weitreichend geordneten Zustand setzt sich die Ladungsdichtewellenkorrelation auf unbestimmte Zeit fort.
In der Bragg-Glas-Phase, so fuhr Kim fort, zerfällt die CDW-Korrelation so langsam, dass sie erst bei unendlichen Entfernungen vollständig verschwindet.
„Die Herausforderung besteht darin, diese Unterschiede anhand experimenteller Daten zu erkennen, die auch reale Probleme wie Rauschen und endliche Auflösung des Versuchsaufbaus widerspiegeln“, sagte Kim.
Die Forscher bewältigten wichtige Herausforderungen durch strategische Synergien zwischen Materialien, Daten und maschinellen Lernwerkzeugen. Auf der Materialseite fanden sie in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern in Stanford eine Familie von CDW-Materialien, die eine systematische Untersuchung mit Kontrolle über den im Experiment zu verwendenden Schmutz ermöglichen wird – PdxErTe3. Was die Daten betrifft, so erfassten sie in Zusammenarbeit mit Argonne-Wissenschaftlern riesige Datenmengen im Argonne National Laboratory.
Im Bereich des maschinellen Lernens nutzten sie X-TEC, ein Tool für maschinelles Lernen, um die riesigen Datenmengen mit einem skalierbaren und automatisierten Ansatz zu analysieren.
„Ein experimenteller Nachweis der Bragg-Glasphase durch Röntgenbeugung hat die offene Frage hinsichtlich des Schicksals der CDW-Ordnung in Abhängigkeit von Schmutz geklärt“, sagte Mallayya.
Über das spezifische wissenschaftliche Problem hinaus stellt das Papier eine neue Art der Forschung im Zeitalter großer Datenmengen vor, sagte Kim: „Mithilfe von Werkzeugen des maschinellen Lernens und datenwissenschaftlichen Perspektiven können wir anspruchsvollen Fragen nachgehen und subtile Signaturen durch eine umfassende Analyse aufspüren.“ Datenanalyse.“
Die Forscher schrieben, dass diese Entdeckung der Bragg-Glas-Ordnung und das daraus resultierende Phasendiagramm unser Verständnis des komplexen Zusammenspiels zwischen Unordnung und Fluktuationen erheblich erweitern. Darüber hinaus kann die Verwendung von X-TEC zur gezielten Messung von Fluktuationen durch eine Hochdurchsatzmessung der „Peak Spread“ die Art und Weise revolutionieren, wie die Fluktuationen in Streuexperimenten untersucht werden.
Mehr Informationen:
Krishnanand Mallayya et al., Bragg-Glassignaturen in PdxErTe3 mit Röntgenbeugungstemperaturclusterung, Naturphysik (2024). DOI: 10.1038/s41567-023-02380-1