新方法消除了晶体结构预测的障碍探测地球内部

来自 Skoltech、MIPT 和 Dukhov 自动研究所的研究人员提出了一种方法，可以节省计算成本，并能够预测任何温度下的材料结构。研究小组报告了其对内核铁结构和地幔下层硅酸镁结构的发现。

结果完善了现有的情况。使用传统方法，由于需要大量的超级计算时间，对任何非零温度的此类计算都将非常昂贵。新方法发表在《npj Computational Materials》上，现在也可用于探索其他材料。

“在这项研究之前，可以预测一组给定的原子在一定压力下如何在空间中排列，但寻找正确的结构只能在绝对零温度下完成，这当然与该研究的首席研究员、斯科尔理工学院的 Artem R. Oganov 教授评论道。

解释非零温度之所以如此困难，是因为计算中必须包含热振动带来的大量原子构型。这将导致计算成本飙升，但这是确定所有理论上可能的晶体结构稳定性并从而确定哪些晶体结构在现实条件下实际发生的唯一方法。

该研究的作者找到了一种方法，可以在不影响预测质量的情况下从根本上降低解决该问题的计算成本。他们利用自己的技术为两项正在进行的行星科学辩论做出了贡献：地核中铁原子采用的确切结构是什么?硅酸镁在下地幔中究竟在哪里从一种相转变为另一种相?这些悬而未决的问题对地球的长期温度演变产生影响。

“通过完善硅酸镁和铁的相图，我们首先确认，铁在地球的固体内核中应该具有所谓的六方密排晶体结构。也就是说，计算假设地球中存在纯铁。核心，忽略了未来研究中必须考虑的杂质。其次，我们细化了地幔中占主导地位的硅酸镁的相变边界。结合数据，我们可以测量地幔中的温度分布。我们星球的地幔，”奥加诺夫说。

新的计算优越的方法依赖于三个支柱，能够以适中的计算成本实现高质量的结果。首先，极具挑战性的量子力学计算被所谓的机器学习潜力所取代。这些更容易计算并且几乎同样准确。

其次，新方法的创建者利用热力学微扰理论，以适度的额外计算成本将其“几乎同样准确”的结果升级为真正相当于量子力学计算的结果。

第三，非零温度预测的某些方面在计算上被证明是有利的：也就是说，稳定晶体结构难以预测的原因之一是与系统局部能量最小值相对应的可能性极大(根据定义，稳定构型具有最低能量)可能的)。但温度越高，这种局部能量极小值的存在就越少，使计算变得更容易。

除了硅酸铁和硅酸镁之外，该团队还测试了铝、硼化钨和二氧化铪的技术，并期望新方法应用于其他材料时也能带来结果。

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