O hidrogaªnio meta¡lico denso - uma fase do hidrogaªnio que se comporta como um condutor elanãtrico - constitui o interior dos planetas gigantes, mas édifa­cil de estudar e mal compreendido. Ao combinar inteligaªncia artificial e meca¢nica qua¢ntica, os pesquisadores descobriram como o hidrogaªnio se torna um metal sob as condições de extrema pressão desses planetas.

Os pesquisadores, da Universidade de Cambridge, IBM Research e EPFL, usaram o aprendizado de ma¡quina para imitar as interações entre os a¡tomos de hidrogaªnio a fim de superar as limitações de tamanho e escala de tempo atémesmo dos supercomputadores mais poderosos. Eles descobriram que, em vez de acontecer como uma transição saºbita ou de primeira ordem, o hidrogaªnio muda de maneira suave e gradual. Os resultados são publicados na revista Nature .

O hidrogaªnio, consistindo de um pra³ton e um elanãtron, éo elemento mais simples e mais abundante do Universo. a‰ o componente dominante do interior dos planetas gigantes em nosso sistema solar - Jaºpiter, Saturno, Urano e Netuno - bem como exoplanetas orbitando outras estrelas.

NassuperfÍcies de planetas gigantes, o hidrogaªnio continua sendo um gás molecular. Movendo-se mais profundamente no interior de planetas gigantes, entretanto, a pressão excede milhões de atmosferas padra£o. Sob essa compressão extrema, o hidrogaªnio passa por uma transição de fase: as ligações covalentes dentro das moléculas de hidrogaªnio se rompem e o gás se torna um metal que conduz eletricidade.

“A existaªncia do hidrogaªnio meta¡lico foi teorizada háum século, mas o que não sabemos écomo ocorre esse processo, devido a s dificuldades em recriar em laboratório as condições de extrema pressão do interior de um planeta gigante, e as enormes complexidades de prever o comportamento de grandes sistemas de hidrogaªnio ", disse o autor principal, Dr. Bingqing Cheng, do Laborata³rio Cavendish de Cambridge.

Experimentalistas tentaram investigar o hidrogaªnio denso usando uma canãlula de bigorna de diamante, na qual dois diamantes aplicam alta pressão a uma amostra confinada. Embora o diamante seja a substância mais dura da Terra, o dispositivo ira¡ falhar sob extrema pressão e altas temperaturas, especialmente quando em contato com o hidrogaªnio, ao contra¡rio da alegação de que um diamante épara sempre. Isso torna os experimentos difa­ceis e caros.

Os estudos teóricos também são desafiadores: embora o movimento dos a¡tomos de hidrogaªnio possa ser resolvido usando equações baseadas na meca¢nica qua¢ntica , o poder computacional necessa¡rio para calcular o comportamento de sistemas com mais de alguns milhares de a¡tomos por mais do que alguns nanossegundos excede a capacidade do maiores e mais rápidos supercomputadores do mundo.

 

a‰ comumente assumido que a transição do hidrogaªnio denso éde primeira ordem, que éacompanhada pormudanças abruptas em todas as propriedades físicas. Um exemplo comum de transição de fase de primeira ordem é águaem ebulição la­quida : uma vez que o la­quido se torna um vapor, sua aparaªncia e comportamento mudam completamente, apesar do fato de que a temperatura e a pressão permanecem as mesmas.

No estudo tea³rico atual, Cheng e seus colegas usaram o aprendizado de ma¡quina para imitar as interações entre os a¡tomos de hidrogaªnio , a fim de superar as limitações dos ca¡lculos meca¢nicos qua¢nticos diretos.

"Chegamos a uma conclusão surpreendente e encontramos evidaªncias de uma transição molecular para atômica conta­nua no fluido denso de hidrogaªnio, em vez de uma de primeira ordem", disse Cheng, que também épesquisador jaºnior no Trinity College.

A transição ésuave porque o ' ponto crítico ' associado estãooculto. Os pontos cra­ticos são onipresentes em todas as transições de fase entre os fluidos: todas as substâncias que podem existir em duas fases tem pontos cra­ticos. Um sistema com um ponto crítico exposto, como o de vapor e águala­quida, tem fases claramente distintas. Poranãm, o denso fluido de hidrogaªnio, com o ponto crítico oculto, pode transformar-se gradativa e continuamente entre as fases molecular e atômica. Além disso, este ponto crítico oculto também induz outros fena´menos incomuns, incluindo densidade e ma¡ximos de capacidade de calor.

A descoberta sobre a transição conta­nua fornece uma nova maneira de interpretar o corpo contradita³rio de experimentos com hidrogaªnio denso. Tambanãm implica uma transição suave entre as camadas isolantes e meta¡licas em planetas gasosos gigantes . O estudo não seria possí­vel sem combinar aprendizado de ma¡quina, meca¢nica qua¢ntica e meca¢nica estata­stica. Sem daºvida, essa abordagem vai revelar mais percepções físicas sobre os sistemas de hidrogaªnio no futuro. Como pra³ximo passo, os pesquisadores pretendem responder a s muitas questões em aberto relativas ao diagrama de fase sãolida do hidrogaªnio denso .