En 25 horas, la IA ensambló por sí sola una estructura cristalina funcional: 37 moléculas y 900 manipulaciones

Más de un día sin interrupción, 37 moléculas y alrededor de 900 ciclos de manipulación. El equipo del Laboratorio Nacional Oak Ridge de EE. UU. aprendió a ensamblar casi de forma autónoma estructuras artificiales molécula por molécula y construyó una red cuyos electrones se comportan como en el grafeno.

El equipo trabajó con moléculas de monóxido de carbono CO sobre la superficie de cobre Cu(111). El desplazamiento de moléculas individuales se realiza con un microscopio de efecto túnel de barrido con una punta extremadamente afilada. El ensamblaje manual requiere ajustar constantemente el voltaje, la corriente de túnel, la velocidad de movimiento y la trayectoria; una acción desafortunada puede deteriorar la condición de la propia punta.

El sistema automático dividió la tarea entre varios algoritmos. YOLO identificaba las moléculas en las imágenes de la superficie, un algoritmo separado asignaba cada molécula a su posición objetivo, y el aprendizaje por refuerzo ajustaba el voltaje, la corriente y la velocidad de desplazamiento. Por cada traslado exitoso el modelo recibía una recompensa más alta y gradualmente descartaba las opciones menos fiables.

Al principio el programa acumuló experiencia con parámetros aleatorios. En los materiales suplementarios del trabajo las primeras 100 acciones corresponden a una selección aleatoria, tras lo cual el control pasa al modelo entrenado. Durante el ensamblaje el algoritmo siguió ajustando los parámetros, tuvo en cuenta la orientación de la red de cobre, trazó trayectorias evitando las moléculas ya colocadas y compensó el desplazamiento de la imagen.

La prueba principal fue una estructura de 37 moléculas con forma de hexágonos regulares. La muestra no es grafeno auténtico. Las moléculas de CO crean sobre la superficie de cobre un potencial artificial para los electrones, lo que permite reproducir la estructura electrónica deseada. La espectroscopía detectó el característico punto de Dirac, por lo que la red obtenida adquirió realmente las propiedades esperadas similares al grafeno.

No se puede llamar todavía completamente autónomo al sistema. El ensamblaje de la estructura de 37 moléculas llevó alrededor de 25 horas y requirió aproximadamente 900 iteraciones, siendo cada ciclo de aproximadamente un minuto. El sistema pudo trabajar muchas horas sin operador; sin embargo, era necesario que una persona interviniera cuando la punta del microscopio perdía estabilidad y requería ser restaurada.

El siguiente paso que mencionan los autores es la ingeniería inversa. Un especialista podrá definir la propiedad electrónica deseada, y el algoritmo calculará la geometría adecuada e intentará ensamblar la estructura de forma autónoma. Los autores del trabajo en ACS Nano relacionan el enfoque con futuros materiales cuánticos artificiales y qubits topológicos, aunque aún falta camino para la producción a gran escala de tales dispositivos.

El ensamblaje controlado de materia a escalas extremadamente pequeñas se desarrolla por varias vías. En agosto, físicos demostraron cómo es posible organizar átomos en figuras complejas predefinidas, convirtiendo la arquitectura atómica de una demostración estética en una herramienta para futuros sistemas cuánticos.

Una geometría inusual de la materia puede cambiar las propiedades de los electrones incluso sin un nuevo compuesto químico. En primavera, dos experimentos detectaron un estado en el que el máximo de carga se produce en el nudo vacío de la red cristalina. Resultados como ese muestran por qué la posibilidad de literalmente diseñar la disposición de las partículas atrae a los físicos tanto como la búsqueda de nuevos materiales.