Ein selbstlernender Algorithmus hat eine neue Struktur festen Wasserstoffs aufgespürt, die bisher weder in Experimenten noch in theoretischen Rechnungen aufgetaucht ist. Wie eine Arbeitsgruppe um Yubo Yang von der University of Illinois in Urbana berichtet, entsteht der neue Kristall bei extrem hohen Drücken von einigen hundert Gigapascal und Temperaturen höher als 900 Kelvin. Dabei seien die Wasserstoffmoleküle nicht mehr nahezu kugelförmig, sondern eiförmig verzerrt, heißt es in ihrer Veröffentlichung in der Fachzeitschrift »Physical Review Letters«. Bei den Simulationen berechnete die KI auch das Verhalten bekannter Wasserstoffstrukturen bei hohen Drücken korrekt. Das macht die Fachleute zuversichtlich, dass die vorhergesagte Phase tatsächlich existiert. Bisher ist das allerdings nicht nachgewiesen.

Das Team nutzte ein Simulationsverfahren namens Quanten-Monte-Carlo, um die Positionen der Wasserstoffmoleküle im Kristall zu berechnen. Der Algorithmus macht es möglich, die Berechnungen auf sehr viel mehr Atome zu erweitern als normal, so dass Strukturbestimmungen zuverlässiger werden. Das zumindest ist die theoretische Erwartung. Yang und sein Team testeten mit ihren Simulationen eigentlich nur, ob die Kombination der Verfahren bekannte Strukturen von Wasserstoff bei hohen Drücken und Temperaturen korrekt berechnet. Dabei stellten sie fest, dass die Simulation den Umbau der bekannten Struktur zu etwas Neuem vorhersagte.

Tatsächlich habe es schon bei Simulationen ohne den Algorithmus Anzeichen für neue Strukturen gegeben, berichtet Mitautor David Ceperley laut einer Pressemitteilung der University of Illinois. Allerdings habe die Quantensimulation zu wenig Atome berechnet, um den Effekt gut abzubilden, und so hätte das Team den Ergebnissen misstraut. Das selbstlernende System habe dann die neue Struktur zum Vorschein gebracht. Frühere Suchen hätten diese neuen Strukturen nicht entdeckt, weil Experimente bei solchen Drücken und Temperaturen außerordentlich schwierig sind.

Auch für Simulation sei die neue Struktur ungünstig, weil sie weniger symmetrisch ist als andere Hochdruckstrukturen des Wasserstoffs, heißt es in der Veröffentlichung. Dadurch sei die für Struktursimulationen wichtige Nullpunktenergie sehr schwer zu berechnen. Als Nächstes will die Arbeitsgruppe nun mit Teams zusammenarbeiten, die Experimente mit Wasserstoff bei hohen Temperaturen und Drücken durchführen – die sollen die vorhergesagte Struktur nun in der Realität finden.