ИИ помог решить многолетнюю физическую задачу о «разочарованных магнитах»

Исследователь из Национальной лаборатории Брукхейвен (США) с помощью искусственного интеллекта решил давнюю фундаментальную задачу в физике конденсированного состояния — так называемую модель разочарованного Поттса в одном измерении. Работа стала первым результатом экспериментального мероприятия «AI Jam Session», организованного Министерством энергетики США совместно с OpenAI.

Визуализация сотрудничества человека и ИИ. Автор: Лиза Янссон / Брукхейвенская национальная лаборатория

Учёный Вэйго Инь использовал для решения логическую модель рассуждений OpenAI «o3-mini-high». ИИ помог разобраться в сложной математике, лежащей в основе «разочарованных магнитов» — материалов, в которых спины электронов не могут упорядочиться из-за конкурирующих взаимодействий.

Модель Поттса, обобщающая более простую модель Изинга, десятилетиями оставалась нерешённой даже для случая трёх ориентаций спина. Исследователь сравнил задачу с лабиринтом, размер которого стремительно растёт с увеличением сложности.

«Раньше мы колебались даже у входа в следующий по сложности лабиринт для трёх ориентаций спина, потому что его коридоры казались бесконечно длинными. Именно молниеносная скорость ИИ позволила нам смело войти в него», — сказал Инь.

ИИ, используя симметрии, упростил «лабиринт» и решил задачу для трёх ориентаций спина всего за один день. Учёный в реальном времени корректировал ошибки ИИ, блокируя неверные «ходы». На основе решений для простейших случаев Инь выявил закономерность и вывел строгое доказательство для произвольного числа ориентаций спина, вплоть до бесконечного.

Полученное общее решение раскрыло богатую фазовую диаграмму, которая может объяснять, как атомные слои укладываются в материалах для традиционной электроники и квантовых устройств. Также было обнаружено неожиданное точное соответствие этой сложной модели более простой модели в эффективном внешнем магнитном поле.

Вэйго Инь планирует применить этот подход для моделирования более сложных систем, например, с высокой температурой сверхпроводимости.

Больше информации: Weiguo Yin, Exact solution of the frustrated Potts model with next-nearest-neighbor interactions in one dimension via AI bootstrapping, Physical Review B (2025). DOI: 10.1103/y5vc-3t6q