Transición de cambio de fase del hidrógeno
Un potencial de aprendizaje automático económico permitió la investigación de las transiciones de fase de hidrógeno para temperaturas entre 100 y 4000 K, y presiones entre 25 y 400 gigapascales, con tamaño y tiempo de simulación convergentes. Crédito: @Michele Ceriotti, EPFL.

El hidrógeno metálico denso, una fase del hidrógeno que se comporta como un conductor eléctrico, constituye en gran parte el interior de los planetas gigantes, pero es difícil de estudiar y poco conocido. Al combinar la inteligencia artificial y la mecánica cuántica, los investigadores han descubierto cómo el hidrógeno se convierte en un metal en las condiciones de presión gravitacional extrema de estos planetas.

Los investigadores de la Universidad de Cambridge, IBM Research y EPFL, utilizaron el aprendizaje automático para imitar las interacciones entre los átomos de hidrógeno con el fin de superar las limitaciones de tamaño y escala de tiempo de incluso los superordenadores más poderosos. Descubrieron que en lugar de suceder como una transición repentina o de primer orden, el hidrógeno cambia de fase de manera suave y gradual. Los resultados se publican en la revista Nature.

El hidrógeno, que consta de un protón y un electrón, es el elemento más simple y abundante del Universo. Es el componente dominante del interior de los planetas gigantes de nuestro sistema solar (Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno), así como los exoplanetas que orbitan otras estrellas.

En las superficies de los planetas gigantes, el hidrógeno sigue siendo un gas molecular. Sin embargo, al profundizar en el interior de los planetas gigantes, la presión supera los millones de atmósferas estándar. Bajo esta compresión extrema, el hidrógeno sufre una transición de fase: los enlaces covalentes dentro de las moléculas de hidrógeno se rompen y el gas se convierte en un metal que conduce la electricidad.

La existencia del hidrógeno metálico se teorizó hace un siglo, pero lo que no sabemos es cómo ocurre este proceso, debido a las dificultades para recrear las condiciones de extrema presión del interior de un planeta gigante en un entorno de laboratorio, y las enormes complejidades de predecir el comportamiento de grandes sistemas de hidrógeno“, comenta la autora principal, la doctora Bingqing Cheng, del Laboratorio Cavendish de Cambridge.

Varios experimentos han intentado investigar el hidrógeno denso utilizando una celda de yunque de diamante, en la que dos diamantes aplican alta presión a una muestra confinada. Aunque el diamante es la sustancia más dura de la Tierra, el dispositivo falla bajo presión extrema y altas temperaturas, especialmente cuando entra en contacto con hidrógeno, contrariamente a la afirmación de que un diamante es para siempre. Esto hace que los experimentos sean tanto difíciles como costosos.

Aún quedan muchas preguntas por contestar sobre el hidrógeno metálico denso

Los estudios teóricos también son un desafío: aunque el movimiento de los átomos de hidrógeno se puede resolver usando ecuaciones basadas en la mecánica cuántica, la potencia computacional necesaria para calcular el comportamiento de sistemas con más de unos pocos miles de átomos durante más que unos pocos nanosegundos excede la capacidad de los superordenadores más grandes y rápidos del mundo.

Se asume comúnmente que la transición del hidrógeno denso es de primer orden, lo que se acompaña de cambios abruptos en todas las propiedades físicas. Un ejemplo común de una transición de fase de primer orden es el agua líquida hirviendo: una vez que el líquido se convierte en vapor, su apariencia y comportamiento cambian por completo a pesar de que la temperatura y la presión siguen siendo las mismas.

En el estudio teórico actual, Cheng y sus compañeros de estudio utilizaron el aprendizaje automático para imitar las interacciones entre átomos de hidrógeno, con el fin de superar las limitaciones de los cálculos mecánicos cuánticos directos. “Llegamos a una conclusión sorprendente y encontramos evidencia de una transición continua molecular a atómica en el fluido denso de hidrógeno, en lugar de una de primer orden“, afirma Cheng, quien también es investigadora junior en el Trinity College.

La transición es suave porque el “punto crítico” asociado está oculto. Los puntos críticos son omnipresentes en todas las transiciones de fase entre fluidos: todas las sustancias que pueden existir en dos fases tienen puntos críticos. Un sistema con un punto crítico expuesto, como el de vapor y agua líquida, tiene fases claramente diferenciadas. Sin embargo, el fluido de hidrógeno denso, con el punto crítico oculto, puede transformarse de forma gradual y continua entre las fases molecular y atómica. Además, este punto crítico oculto también induce otros fenómenos inusuales, incluidos los máximos de densidad y capacidad calorífica.

El hallazgo sobre la transición continua proporciona una nueva forma de interpretar los experimentos contradictorios sobre hidrógeno metálico denso. También implica una transición suave entre capas aislantes y metálicas en planetas gigantes de gas. El estudio no sería posible sin combinar el aprendizaje automático, la mecánica cuántica y la mecánica estadística. Sin lugar a dudas, este enfoque revelará más conocimientos físicos sobre los sistemas de hidrógeno en el futuro. Como siguiente paso, los investigadores tienen como objetivo responder las muchas preguntas abiertas sobre el diagrama de fase sólida del hidrógeno denso.

Fuente: Nature.

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