Dichte metallische waterstof - een fase van waterstof die zich gedraagt ​​als een elektrische geleider - vormt het binnenste van reuzenplaneten, maar het is moeilijk te bestuderen en slecht begrepen. Door kunstmatige intelligentie en kwantummechanica te combineren, onderzoekers hebben ontdekt hoe waterstof een metaal wordt onder de extreme druk van deze planeten.

De onderzoekers, van de Universiteit van Cambridge, IBM Research en EPFL, gebruikte machine learning om de interacties tussen waterstofatomen na te bootsen om de beperkingen van de grootte en tijdschaal van zelfs de krachtigste supercomputers te overwinnen. Ze ontdekten dat in plaats van plotseling te gebeuren, of eerste orde, overgang, de waterstof verandert op een soepele en geleidelijke manier. De resultaten worden gerapporteerd in het tijdschrift Natuur .

Waterstof, bestaande uit één proton en één elektron, is zowel het eenvoudigste als het meest voorkomende element in het heelal. Het is het dominante onderdeel van het binnenste van de reuzenplaneten in ons zonnestelsel - Jupiter, Saturnus, Uranus, en Neptunus - evenals exoplaneten die rond andere sterren draaien.

Op het oppervlak van reuzenplaneten, waterstof blijft een moleculair gas. Als we echter dieper in het binnenste van reuzenplaneten gaan, de druk overschrijdt miljoenen standaardatmosferen. Onder deze extreme compressie, waterstof ondergaat een faseovergang:de covalente bindingen in waterstofmoleculen breken, en het gas wordt een metaal dat elektriciteit geleidt.

"Het bestaan ​​van metallische waterstof werd een eeuw geleden getheoretiseerd, maar wat we niet weten is hoe dit proces plaatsvindt, vanwege de moeilijkheden bij het nabootsen van de extreme drukomstandigheden van het binnenste van een gigantische planeet in een laboratoriumomgeving, en de enorme complexiteit van het voorspellen van het gedrag van grote waterstofsystemen, " zei hoofdauteur Dr. Bingqing Cheng van Cambridge's Cavendish Laboratory.

Experimentalisten hebben geprobeerd om dichte waterstof te onderzoeken met behulp van een diamanten aambeeldcel, waarin twee diamanten hoge druk uitoefenen op een ingesloten monster. Hoewel diamant de hardste stof op aarde is, het apparaat zal falen onder extreme druk en hoge temperaturen, vooral bij contact met waterstof, in tegenstelling tot de bewering dat een diamant voor altijd is. Dit maakt de experimenten zowel moeilijk als duur.

Theoretische studies zijn ook uitdagend:hoewel de beweging van waterstofatomen kan worden opgelost met behulp van vergelijkingen op basis van kwantummechanica, de rekenkracht die nodig is om het gedrag van systemen met meer dan een paar duizend atomen langer dan een paar nanoseconden te berekenen, overtreft het vermogen van 's werelds grootste en snelste supercomputers.

Algemeen wordt aangenomen dat de overgang van dichte waterstof van de eerste orde is, die gepaard gaat met abrupte veranderingen in alle fysieke eigenschappen. Een veelvoorkomend voorbeeld van een eerste-orde faseovergang is kokend vloeibaar water:zodra de vloeistof een damp wordt, zijn uiterlijk en gedrag veranderen volledig ondanks het feit dat de temperatuur en de druk hetzelfde blijven.

In de huidige theoretische studie Cheng en haar collega's gebruikten machine learning om de interacties tussen waterstofatomen na te bootsen, om beperkingen van directe kwantummechanische berekeningen te overwinnen.

"We kwamen tot een verrassende conclusie en vonden bewijs voor een continue moleculaire naar atomaire overgang in de dichte waterstofvloeistof, in plaats van een eerste-orde, " zei Chen, die ook een Junior Research Fellow is aan het Trinity College.

De overgang is soepel omdat het bijbehorende 'kritieke punt' verborgen is. Kritieke punten zijn alomtegenwoordig in alle faseovergangen tussen vloeistoffen:alle stoffen die in twee fasen kunnen voorkomen, hebben kritieke punten. Een systeem met een blootgesteld kritisch punt, zoals die voor damp en vloeibaar water, kent duidelijk verschillende fasen. Echter, de dichte waterstofvloeistof, met het verborgen kritieke punt, kan geleidelijk en continu transformeren tussen de moleculaire en de atomaire fase. Verder, dit verborgen kritieke punt veroorzaakt ook andere ongewone verschijnselen, inclusief dichtheid en warmtecapaciteit maxima.

De bevinding over de continue overgang biedt een nieuwe manier om de tegenstrijdige hoeveelheid experimenten met dichte waterstof te interpreteren. Het impliceert ook een soepele overgang tussen isolerende en metalen lagen in gigantische gasplaneten. Het onderzoek zou niet mogelijk zijn zonder machine learning te combineren, kwantummechanica, en statistische mechanica. Zonder twijfel, deze aanpak zal in de toekomst meer fysieke inzichten over waterstofsystemen opleveren. Als volgende stap, de onderzoekers willen de vele open vragen over het vastefasediagram van dichte waterstof beantwoorden.