L'idrogeno metallico denso, una fase dell'idrogeno che si comporta come un conduttore elettrico, costituisce l'interno dei pianeti giganti, ma è difficile da studiare e poco compreso. Combinando intelligenza artificiale e meccanica quantistica, i ricercatori hanno scoperto come l'idrogeno diventa un metallo nelle condizioni di estrema pressione di questi pianeti.

I ricercatori, dell'Università di Cambridge, IBM Research e EPFL, ha utilizzato l'apprendimento automatico per imitare le interazioni tra gli atomi di idrogeno al fine di superare i limiti di dimensioni e tempistiche anche dei supercomputer più potenti. Hanno scoperto che invece di accadere all'improvviso, o di primo ordine, transizione, l'idrogeno cambia in modo dolce e graduale. I risultati sono riportati sulla rivista Natura .

Idrogeno, costituito da un protone e un elettrone, è sia l'elemento più semplice che il più abbondante nell'Universo. È il componente dominante dell'interno dei pianeti giganti del nostro sistema solare:Giove, Saturno, Urano, e Nettuno, così come gli esopianeti in orbita attorno ad altre stelle.

Sulla superficie dei pianeti giganti, l'idrogeno rimane un gas molecolare. Tuttavia, andando più in profondità negli interni dei pianeti giganti, la pressione supera milioni di atmosfere standard. Sotto questa estrema compressione, l'idrogeno subisce una transizione di fase:i legami covalenti all'interno delle molecole di idrogeno si rompono, e il gas diventa un metallo che conduce elettricità.

"L'esistenza dell'idrogeno metallico è stata teorizzata un secolo fa, ma quello che non sappiamo è come avviene questo processo, a causa delle difficoltà nel ricreare in laboratorio le condizioni di estrema pressione dell'interno di un pianeta gigante, e le enormi complessità di prevedere il comportamento di grandi sistemi di idrogeno, ", ha affermato l'autore principale, il dott. Bingqing Cheng del Cavendish Laboratory di Cambridge.

Gli sperimentali hanno tentato di studiare l'idrogeno denso usando una cella a incudine di diamante, in cui due diamanti applicano un'alta pressione a un campione confinato. Sebbene il diamante sia la sostanza più dura sulla Terra, il dispositivo si guasterà a pressioni estreme e alte temperature, soprattutto a contatto con l'idrogeno, contrariamente all'affermazione che un diamante è per sempre. Questo rende gli esperimenti difficili e costosi.

Anche gli studi teorici sono impegnativi:sebbene il movimento degli atomi di idrogeno possa essere risolto utilizzando equazioni basate sulla meccanica quantistica, la potenza di calcolo necessaria per calcolare il comportamento di sistemi con più di qualche migliaio di atomi per più di pochi nanosecondi supera la capacità dei supercomputer più grandi e veloci del mondo.

Si presume comunemente che la transizione dell'idrogeno denso sia del primo ordine, che è accompagnato da bruschi cambiamenti in tutte le proprietà fisiche. Un esempio comune di transizione di fase del primo ordine è l'ebollizione dell'acqua liquida:una volta che il liquido diventa vapore, il suo aspetto e il suo comportamento cambiano completamente nonostante la temperatura e la pressione rimangano le stesse.

Nell'attuale studio teorico, Cheng e i suoi colleghi hanno utilizzato l'apprendimento automatico per imitare le interazioni tra gli atomi di idrogeno, al fine di superare i limiti dei calcoli quantomeccanici diretti.

"Abbiamo raggiunto una conclusione sorprendente e abbiamo trovato prove di una continua transizione da molecolare a atomica nel fluido idrogeno denso, invece di uno di primo ordine, " disse Cheng, che è anche Junior Research Fellow al Trinity College.

La transizione è graduale perché il "punto critico" associato è nascosto. I punti critici sono onnipresenti in tutte le transizioni di fase tra i fluidi:tutte le sostanze che possono esistere in due fasi hanno punti critici. Un sistema con un punto critico esposto, come quello per vapore e acqua liquida, ha fasi chiaramente distinte. Però, il fluido idrogeno denso, con il punto critico nascosto, può trasformarsi gradualmente e continuamente tra la fase molecolare e quella atomica. Per di più, questo punto critico nascosto induce anche altri fenomeni insoliti, compresi i massimi di densità e capacità termica.

La scoperta sulla transizione continua fornisce un nuovo modo di interpretare il corpo contraddittorio di esperimenti sull'idrogeno denso. Implica anche una transizione graduale tra strati isolanti e metallici in pianeti gassosi giganti. Lo studio non sarebbe possibile senza combinare l'apprendimento automatico, meccanica quantistica, e meccanica statistica. Senza dubbio, questo approccio svelerà più intuizioni fisiche sui sistemi a idrogeno in futuro. Come passo successivo, i ricercatori mirano a rispondere alle molte domande aperte riguardanti il ​​diagramma di fase solido dell'idrogeno denso.