Secondo le previsioni della fisica della materia condensata, ad una pressione sufficientemente alta, l'idrogeno dovrebbe dissociarsi e trasformarsi in un metallo atomico. Però, l'esatto intervallo di pressione in cui ciò si verifica non è ancora stato accertato, e il processo attraverso il quale l'idrogeno diventa un metallo è ancora alquanto poco chiaro.

In un recente studio, i ricercatori del Max Planck Institute of Chemistry hanno dimostrato che a una pressione di 350-360 GPa e a temperature inferiori a 200K, l'idrogeno molecolare inizia a condurre e diventa semimetallico. La loro carta, pubblicato in Fisica della natura , fornisce nuove interessanti informazioni sulla transizione dell'idrogeno ad alte pressioni, svelando alcune delle proprietà che acquisisce.

"Tipicamente, l'idrogeno metallico è considerato idrogeno atomico, un cristallo formato da protoni dopo la dissociazione delle molecole, "Michail Eremets, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Però, l'idrogeno può anche trasformarsi in un metallo allo stato molecolare, in questo caso, le bande elettroniche di cristalli di idrogeno molecolare si allargano e alla fine si sovrappongono in modo che il gap di banda si chiuda, appaiono elettroni liberi e buchi:questo è stato metallico."

Lo stato iniziale in cui le bande elettroniche dei cristalli di idrogeno molecolare si sovrappongono è noto come semimetallo. In questo stato, il metallo ha una scarsa conduttività, poiché il numero di vettori è basso. Se la pressione aumenta ulteriormente, però, questo metallo scarsamente conduttore si trasforma in un metallo normale e infine in idrogeno atomico.

"Il nostro obiettivo era trovare la pressione alla quale appare la conduttività elettrica metallica, e se questo risulta in un metallo molecolare o atomico, " Ha detto Eremets. "Abbiamo così eseguito misurazioni elettriche, poiché questo è l'unico metodo che ci dice direttamente se l'idrogeno conduce e se è un metallo. Un metallo conduce tipicamente alle temperature più basse; un semiconduttore può anche condurre, ma a temperature più basse, la conducibilità diminuisce esponenzialmente e scompare."

Nei loro esperimenti, i ricercatori hanno raccolto misurazioni Raman fino a 480 GPa per identificare i cambiamenti che avvengono nell'idrogeno a pressioni diverse. Hanno scoperto che l'idrogeno ha iniziato a condurre a pressioni superiori a 360 GPa, ma è rimasto un semimetallo fino a 440 GPa.

Per raccogliere misurazioni Raman, i ricercatori hanno utilizzato piccoli DAC con diamanti sintetici. Questi diamanti hanno una luminescenza estremamente bassa anche a pressioni di ~500 GPa. Per le misurazioni elettriche, d'altra parte, usavano quattro cavi elettrici spruzzati su incudini di diamante, che sono stati isolati dalla guarnizione metallica da uno strato isolante.

Globale, le misurazioni che hanno raccolto hanno mostrato che l'idrogeno semimetallico osservato nei loro esperimenti è allo stato molecolare. Questi risultati confermano quindi la loro ipotesi che l'idrogeno diventi un metallo nel suo stato molecolare.

"Sopra i 360 GPa, conducibilità elettrica fortemente aumentata con la pressione, " Ha spiegato Eremets. "La conducibilità non è diminuita in modo esponenziale con il raffreddamento, indicando che l'idrogeno non è un semiconduttore. D'altra parte, non è un buon metallo, poiché la conduttività aumenta solo leggermente con il raffreddamento. Tale comportamento è tipico dei semimetalli come il bismuto o dei semimetalli indotti dalla pressione come l'ossigeno o lo xeno."

Globale, le misurazioni raccolte da Eremets e dai suoi colleghi forniscono la prova che l'idrogeno semimetallico rimane allo stato molecolare almeno fino a una pressione di 440 GPa. Quando la pressione supera i 440GPa, però, il segnale Raman emesso dall'idrogeno scompare, il che suggerisce che è in atto un'ulteriore trasformazione.

"Il raggiungimento delle pressioni richieste sopra i 350 GPa è un compito difficile, " Disse Eremets. "Dipende da una serie di fattori, primo, della geometria delle incudini. Abbiamo eseguito molti tentativi per raggiungere le pressioni multimegabar. Però, abbiamo ottenuto dati riproducibili."

Il recente studio condotto da Eremets e dai suoi colleghi dimostra chiaramente che al di sopra di ~360 GPa, l'idrogeno si trasforma in un semimetallo nel suo stato molecolare. Però, questa sostanza semimetallica presenta un comportamento insolito, che non è allineato con le previsioni teoriche comuni dell'idrogeno metallico allo stato atomico. Anzi, i ricercatori hanno osservato che l'idrogeno si trasforma in una sostanza semimetallica nel suo stato molecolare.

"I nostri risultati dovrebbero stimolare ulteriori lavori teorici e sperimentali sulla comprensione della complessa trasformazione dell'idrogeno in metallo, " Ha detto Eremets. "Stiamo ora progettando di estendere le nostre misurazioni elettriche a pressioni più elevate e trovare la superconduttività nell'idrogeno metallico".

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