Изследователи от Националната лаборатория „Оук Ридж“ в САЩ са научили изкуствен интелект да управлява тунелен сканиращ микроскоп и самостоятелно да премества отделни молекули по повърхността на мед. Системата е съставила изкуствена решетка от 37 молекули с електронната структура на графена, почти без човешка намеса. Този подход може да превърне изключително бавната ръчна работа с веществото в атомен мащаб в автоматизиран процес за създаване на квантови материали със зададени свойства.
В експериментите учените са работили с молекули на въглероден оксид (CO) върху повърхността на меден кристал Cu(111). Свръхострият накрайник на сканиращия тунелен микроскоп позволява физическо преместване на отделни молекули, но всяка стъпка изисква точно подбиране на напрежението, тунелния ток, скоростта на движение и траекторията. Грешка може да премести молекулата на грешно място или да наруши състоянието на накрайника, поради което ръчното сглобяване на големи структури отнема много време.
Екипът прехвърли значителна част от тази работа на софтуерната система. Моделът за компютърно зрение YOLO откриваше молекулите на микроскопските изображения, алгоритъмът съпоставяше всяка молекула с нужната позиция, а моделът за обучение с подсилване подбираше параметрите на движението. По време на работата програмата коригираше траекториите, като отчиташе ориентацията на кристалната решетка на медта, и компенсираше отклонението на изображението, което става забележимо при манипулации в толкова малък мащаб.AI не получи напълно свободен контрол над микроскопа. Изследователите първо събраха данни, като движеха молекулите при различни стойности на напрежението, тока и скоростта, а след това обучиха модела да избира параметри, които повишават вероятността за успешно преместване. Още по време на експеримента алгоритъмът допълнително коригираше стратегията си въз основа на резултатите от извършените действия.
Основната демонстрация беше изкуствена графенова решетка от 37 молекули. Става дума не за истински графен от въглеродни атоми. Разположените върху мед молекули CO променят движението на повърхностните електрони и създават за тях изкуствен потенциал, който позволява възпроизвеждането на свойствата на различни кристални структури. Спектроскопските измервания откриха характерната точка на Дирак, което потвърди появата на очакваната електронна структура на изкуствения графен.
Автоматизацията засега остава частична. Сглобяването на структурата от 37 молекули отне около 25 часа и приблизително 900 операции, като всяко преместване отнемаше около минута. Системата можеше да работи повече от денонощие без прекъсване, но все още се налагаше човешка намеса, когато накрайникът на микроскопа губеше стабилност и се налагаше да бъде възстановен.
Изследователите разчитат в бъдеще да преминат към обратно проектиране на материали. Вместо ръчно задаване на разположението на всяка молекула, ученият ще може да посочи желаните електронни свойства, след което алгоритъмът ще изчисли подходящата структура и ще се опита да я сглоби самостоятелно. Сред възможните направления авторите посочват изкуствени квантови системи и структури, подходящи за изучаване на топологични състояния и разработване на компоненти за квантови компютри. Засега работата показва принципната възможност на такъв подход, а не готова технология за масово производство на електроника.