中大新聞網(wǎng)訊（通訊員李華山）中山大學(xué)物理學(xué)院李華山教授與王彪教授研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建的機(jī)器學(xué)習(xí)模型成功實(shí)現(xiàn)了材料對(duì)稱(chēng)性的智能識(shí)別和多屬性準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。該工作以“Material symmetry recognition and property prediction accomplished by crystal capsule representation”為題，于近期發(fā)表在國(guó)際高水平期刊Nature Communications上。
基于統(tǒng)計(jì)機(jī)制的機(jī)器學(xué)習(xí)(ML)方法最近被廣泛應(yīng)用于物理、材料等研究中，以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的性能預(yù)測(cè)和逆向設(shè)計(jì)。由于晶體對(duì)稱(chēng)性是凝聚態(tài)系統(tǒng)的基本屬性，針對(duì)對(duì)稱(chēng)性的感知與識(shí)別對(duì)于準(zhǔn)確預(yù)測(cè)材料電學(xué)性質(zhì)和微觀(guān)響應(yīng)至關(guān)重要。然而由于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在感知對(duì)稱(chēng)性方面的固有缺陷，現(xiàn)有的ML算法仍然很難感知空間群中全部對(duì)稱(chēng)性變換。即使晶體對(duì)稱(chēng)性被隱式地包含在由圖模型生成的材料表征中，空間特征仍會(huì)由于卷積操作而缺失對(duì)于旋轉(zhuǎn)、反射、螺旋軸與滑移面等復(fù)雜變換的檢測(cè)。因此，準(zhǔn)確識(shí)別晶體對(duì)稱(chēng)性并強(qiáng)化屬性預(yù)測(cè)是突破當(dāng)前ML算法缺陷并增強(qiáng)可解釋性與泛化性的關(guān)鍵。
針對(duì)以上問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種名為基于對(duì)稱(chēng)性增強(qiáng)的等變性網(wǎng)絡(luò)(SEN)的新型ML模型來(lái)克服上述挑戰(zhàn)，通過(guò)構(gòu)建基于膠囊網(wǎng)絡(luò)的變分自編碼器識(shí)別任意對(duì)稱(chēng)性變換空間模式，并構(gòu)建材料的化學(xué)環(huán)境以學(xué)習(xí)原子相互作用和晶體系統(tǒng)的空間特征（圖1(a)-(b)）。團(tuán)隊(duì)通過(guò)定量分析和可解釋性研究表明，基于團(tuán)簇-性質(zhì)映射的SEN模型可以準(zhǔn)確地感知晶體對(duì)稱(chēng)性，把對(duì)稱(chēng)性信息轉(zhuǎn)換為團(tuán)簇間的等價(jià)性和相似性信息，并通過(guò)減少有效特征空間強(qiáng)化預(yù)測(cè)性能。SEN模型解決了常規(guī)ML方法在高對(duì)稱(chēng)空間群中表現(xiàn)不佳的問(wèn)題，在預(yù)測(cè)帶隙和形成能時(shí)，平均絕對(duì)誤差(MAE)分別為0.18 eV和0.018 eV /atom。
圖1 晶體膠囊標(biāo)準(zhǔn)示意圖。（a）膠囊機(jī)制編碼先驗(yàn)空間變換特征；（b）材料的晶體膠囊集合結(jié)構(gòu)。
該工作由中山大學(xué)獨(dú)立完成（唯一署名單位），梁超博士后為第一作者，王彪教授和李華山教授為共同通訊作者，伊麗米然木肉扎洪博士等對(duì)該工作有重要貢獻(xiàn)。上述工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)和面上項(xiàng)目、廣東省珠江人才計(jì)劃等項(xiàng)目的支持，同時(shí)也受到物理學(xué)院、廣東省磁電物性分析與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中子科學(xué)與技術(shù)中心的大力支持。
