Hidrógeno metálico

El hidrógeno metálico es una fase del hidrógeno en la que se comporta como un conductor eléctrico. Esta fase fue predicha en 1935 sobre bases teóricas por Eugene Wigner y Hillard Bell Huntington.

A alta presión y temperatura, el hidrógeno metálico puede existir como líquido parcial en lugar de sólido, y los investigadores creen que podría estar presente en grandes cantidades en los interiores calientes y comprimidos gravitacionalmente de Júpiter y Saturno, así como en algunos exoplanetas..

Predicciones teóricas

Un diagrama de Júpiter que muestra un modelo del interior del planeta, con un núcleo rocoso superpuesto por una capa profunda de hidrógeno metálico líquido (que aparece como magenta) y una capa externa predominantemente de hidrógeno molecular. La verdadera composición interior de Júpiter es incierta. Por ejemplo, el núcleo puede haber encogido como corrientes de convección de hidrógeno metálico líquido caliente mezclado con el núcleo fundido y llevado su contenido a niveles superiores en el interior planetario. Además, no hay límites físicos claros entre las capas de hidrógeno, con mayor profundidad el gas aumenta suavemente en temperatura y densidad, convirtiéndose finalmente en líquido. Las características se muestran a escala excepto para la aurora y las órbitas de las lunas galileas.

Hidrógeno bajo presión

Aunque a menudo se coloca en la parte superior de la columna de metales alcalinos en la tabla periódica, el hidrógeno, en condiciones ordinarias, no exhibe las propiedades de un metal alcalino. En cambio, forma moléculas diatómicas H₂, similares a los halógenos y algunos no metales en el segundo período de la tabla periódica, como el nitrógeno y el oxígeno. El hidrógeno diatómico es un gas que, a presión atmosférica, se licua y solidifica solo a muy baja temperatura (20 grados y 14 grados por encima del cero absoluto, respectivamente).

En 1935, los físicos Eugene Wigner y Hillard Bell Huntington predijeron que bajo una inmensa presión de alrededor de 25 GPa (250 000 atm; 3 600 000 psi), el hidrógeno mostraría propiedades metálicas: en lugar de discretas H ₂ moléculas (que consisten en dos electrones unidos entre dos protones), se formaría una fase masiva con una red sólida de protones y los electrones deslocalizados a lo largo. Desde entonces, la producción de hidrógeno metálico en el laboratorio se ha descrito como "... el santo grial de la física de alta presión".

Finalmente, se demostró que la predicción inicial sobre la cantidad de presión necesaria era demasiado baja. Desde el primer trabajo de Wigner y Huntington, los cálculos teóricos más modernos apuntan hacia presiones de metalización más altas pero potencialmente alcanzables de alrededor de 400 GPa (3 900 000 atm; 58 000 000 psi).

Hidrógeno líquido metálico

El helio-4 es un líquido a presión normal cerca del cero absoluto, como consecuencia de su alta energía de punto cero (ZPE). La ZPE de los protones en un estado denso también es alta y se espera una disminución en la energía de ordenación (en relación con la ZPE) a altas presiones. Neil Ashcroft y otros han presentado argumentos de que existe un punto de fusión máximo en el hidrógeno comprimido, pero también que podría haber un rango de densidades, a presiones de alrededor de 400 GPa, donde el hidrógeno sería un metal líquido, incluso a bajas temperaturas.

Geng predijo que la ZPE de los protones reduce la temperatura de fusión del hidrógeno a un mínimo de 200–250 K (−73 – −23 °C) a presiones de 500–1500 GPa (4900 000–14 800 000 atm; 73 000 000–218 000 000 psi).

Dentro de esta región plana podría haber una mesofase elemental intermedia entre el estado líquido y el sólido, que podría estabilizarse metaestablemente a baja temperatura y entrar en un estado supersólido.

Superconductividad

En 1968, Neil Ashcroft sugirió que el hidrógeno metálico podría ser un superconductor, hasta temperatura ambiente (290 K o 17 °C). Esta hipótesis se basa en un fuerte acoplamiento esperado entre los electrones de conducción y las vibraciones de la red. Es posible que esto se haya confirmado a principios de 2019; se ha producido hidrógeno metálico al menos dos veces en el laboratorio, y Silvera et al. han observado tentativamente un efecto Meissner de 250 K, pero no lo han verificado de forma independiente. y un equipo en Francia.

Como propulsor de cohetes

El hidrógeno metálico metaestable puede tener potencial como propulsor de cohetes altamente eficiente, con un impulso específico teórico de hasta 1700 segundos (como referencia, los propulsores de cohetes químicos más potentes actuales tienen un I_sp inferior a 500), aunque es posible que no exista una forma metaestable adecuada para la producción en masa y el almacenamiento convencional de gran volumen. Otro problema importante es el calor de la reacción, que a más de 6000 K es demasiado alto para utilizar cualquier material de motor conocido. Esto requeriría diluir el hidrógeno metálico con agua o hidrógeno líquido, una mezcla que aún proporcionaría un aumento significativo en el rendimiento de los propulsores actuales.

Posibilidad de nuevos tipos de fluidos cuánticos

Actualmente conocido como "super" Los estados de la materia son superconductores, líquidos y gases superfluidos y supersólidos. Egor Babaev predijo que si el hidrógeno y el deuterio tienen estados metálicos líquidos, podrían tener estados cuánticos ordenados que no pueden clasificarse como superconductores o superfluidos en el sentido habitual. En cambio, podrían representar dos posibles tipos novedosos de fluidos cuánticos: superfluidos superconductores y superfluidos metálicos. Se predijo que tales fluidos tendrían reacciones muy inusuales a los campos magnéticos externos y las rotaciones, lo que podría proporcionar un medio para la verificación experimental de las predicciones de Babaev. También se ha sugerido que, bajo la influencia de un campo magnético, el hidrógeno podría presentar transiciones de fase de superconductividad a superfluidez y viceversa.

La aleación de litio reduce la presión requerida

En 2009, Zurek et al. predijo que la aleación LiH₆ sería un metal estable a solo una cuarta parte de la presión requerida para metalizar el hidrógeno, y que efectos similares se mantendrían para aleaciones de tipo LiH_n y posiblemente "otros sistemas alcalinos con alto contenido de hidruros", es decir, aleaciones del tipo XH_n donde X es un metal alcalino. Esto se verificó más tarde en AcH₈ y LaH₁₀ con T_c acercándose a 270K, lo que llevó a especular que otros compuestos pueden incluso ser estables a presiones de MPa. con superconductividad a temperatura ambiente.

Persecución experimental

Compresión por ondas de choque, 1996

En marzo de 1996, un grupo de científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore informó que habían producido por casualidad el primer hidrógeno metálico identificable durante aproximadamente un microsegundo a temperaturas de miles de Kelvin, presiones de más de 100 GPa (1 000 000 atm; 15 000 000 psi), y densidades de aproximadamente 0,6 g/cm³. El equipo no esperaba producir hidrógeno metálico, ya que no utilizaba hidrógeno sólido, que se creía necesario, y trabajaba a temperaturas superiores a las especificadas por la teoría de la metalización. Estudios previos en los que se comprimió hidrógeno sólido dentro de yunques de diamante a presiones de hasta 250 GPa (2 500 000 atm; 37 000 000 psi), no confirmaron una metalización detectable. El equipo había buscado simplemente medir los cambios de conductividad eléctrica menos extremos que esperaban. Los investigadores utilizaron una pistola de gas ligero de la década de 1960, empleada originalmente en estudios de misiles guiados, para disparar una placa impactadora en un recipiente sellado que contenía una muestra de hidrógeno líquido de medio milímetro de espesor. El hidrógeno líquido estaba en contacto con cables que conducían a un dispositivo que medía la resistencia eléctrica. Los científicos descubrieron que, a medida que la presión aumentaba a 140 GPa (1 400 000 atm; 21 000 000 psi), la brecha de banda de energía electrónica, una medida de la resistencia eléctrica, se redujo a casi cero. La banda prohibida del hidrógeno en su estado no comprimido es de aproximadamente 15 eV, lo que lo convierte en un aislante pero, como la presión aumenta significativamente, la brecha de banda se redujo gradualmente a 0,3 eV. Debido a que la energía térmica del fluido (la temperatura llegó a unos 3000 K o 2730 °C debido a la compresión de la muestra) estaba por encima de 0.3 eV, el hidrógeno podría considerarse metálico.

Otra investigación experimental, 1996-2004

Muchos experimentos continúan en la producción de hidrógeno metálico en condiciones de laboratorio a compresión estática y baja temperatura. Arthur Ruoff y Chandrabhas Narayana de la Universidad de Cornell en 1998, y más tarde Paul Loubeyre y René LeToullec de Commissariat à l'Énergie Atomique, Francia en 2002, han demostrado que a presiones cercanas a las del centro de la Tierra (320–340 GPa o 3,200,000–3,400,000 atm) y temperaturas de 100–300 K (−173–27 °C), el hidrógeno todavía no es un verdadero metal alcalino, debido a la brecha de banda distinta de cero. La búsqueda para ver hidrógeno metálico en laboratorio a baja temperatura y compresión estática continúa. También se están realizando estudios sobre el deuterio. Shahriar Badiei y Leif Holmlid de la Universidad de Gotemburgo demostraron en 2004 que los estados metálicos condensados hechos de átomos de hidrógeno excitados (materia de Rydberg) son promotores efectivos del hidrógeno metálico, sin embargo, estos resultados son discutidos.

Experimento de calentamiento por láser pulsado, 2008

El máximo predicho teóricamente de la curva de fusión (el requisito previo para el hidrógeno metálico líquido) fue descubierto por Shanti Deemyad e Isaac F. Silvera mediante el uso de calentamiento por láser pulsado. M.I. Eremets et al.. Esta afirmación se disputa y sus resultados no se han repetido.

Observación de hidrógeno metálico líquido, 2011

En 2011, Eremets y Troyan informaron haber observado el estado metálico líquido del hidrógeno y el deuterio a presiones estáticas de 260–300 GPa (2 600 000–3 000 000 atm). Esta afirmación fue cuestionada por otros investigadores en 2012. Recientemente se propuso que el hidrógeno en las estrellas tiene una conductividad eléctrica de 1.1×10⁶ S/m.

Máquina Z, 2015

En 2015, los científicos de Z Pulsed Power Facility anunciaron la creación de deuterio metálico utilizando deuterio líquido denso, una transición de aislante eléctrico a conductor asociada con un aumento en la reflectividad óptica.

Reclamada observación de hidrógeno metálico sólido, 2016

El 5 de octubre de 2016, Ranga Dias e Isaac F. Silvera de la Universidad de Harvard publicaron afirmaciones de evidencia experimental de que se había sintetizado hidrógeno metálico sólido en el laboratorio a una presión de alrededor de 495 gigapascales (4 890 000 atm; 71 800 000 psi) usando un diamante celda de yunque Este manuscrito estuvo disponible en octubre de 2016 y posteriormente se publicó una versión revisada en la revista Science en enero de 2017.

En la versión preliminar del artículo, Dias y Silvera escriben:

Con creciente presión observamos cambios en la muestra, pasando de transparente, a negro, a un metal reflectante, este último estudió a una presión de 495 GPa... la reflectancia utilizando un modelo de electrones libres Drude para determinar la frecuencia plasmática de 30.1 eV en T= 5.5 K, con una densidad correspondiente de portador de electrones 6.7×10²³ partículas/cm³, consistente con estimaciones teóricas. Las propiedades son las de un metal. El hidrógeno metálico sólido se ha producido en el laboratorio.

—Dias & Silvera (2016)

Silvera afirmó que no repitieron su experimento, ya que más pruebas podrían dañar o destruir su muestra existente, pero aseguró a la comunidad científica que vendrán más pruebas. También afirmó que eventualmente se liberaría la presión para averiguar si la muestra era metaestable (es decir, si persistiría en su estado metálico incluso después de que se liberara la presión).

Poco después de que se publicara la afirmación en Science, Nature' La división de noticias de s publicó un artículo que indica que algunos otros físicos consideraron el resultado con escepticismo. Miembros destacados de la comunidad de investigación de alta presión criticaron los resultados declarados y cuestionaron las presiones declaradas o la presencia de hidrógeno metálico a las presiones declaradas.

En febrero de 2017, se informó que la muestra de hidrógeno metálico reclamado se perdió, después de que se rompieran los yunques de diamante que contenía.

En agosto de 2017, Silvera y Dias emitieron una errata al artículo de Science, con respecto a los valores de reflectancia corregidos debido a las variaciones entre la densidad óptica de los diamantes naturales estresados y los diamantes sintéticos utilizados en su precompresión. celda de yunque de diamante.

En junio de 2019, un equipo del Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies Alternatives (Comisión francesa de Energías Alternativas y Energía Atómica) afirmó haber creado hidrógeno metálico a alrededor de 425 GPa usando una celda de yunque de diamante de perfil toroidal producida usando mecanizado por haz de electrones.

W. Ferreira et al. (incluidos Dias y Silvera) publicaron una versión preliminar en septiembre de 2022 afirmando haber repetido el experimento, encontrando una metalización del hidrógeno entre 477 y 491 GPa. Esta vez, se liberó la presión para evaluar la cuestión de la metaestabilidad. Informaron que no se encontró que el hidrógeno metálico fuera metaestable a presión cero y que la transformación a la fase molecular probablemente ocurrió entre 113 y 84 GPa. Los autores planean estudiar la metalización y la metaestabilidad del deuterio en el futuro.

Experimentos con deuterio fluido en la Instalación Nacional de Ignición, 2018

En agosto de 2018, los científicos anunciaron nuevas observaciones sobre la rápida transformación del deuterio fluido de una forma aislante a una forma metálica por debajo de 2000 K. Se encontró una concordancia notable entre los datos experimentales y las predicciones basadas en simulaciones Quantum Monte Carlo, que se espera ser el método más preciso hasta la fecha. Esto puede ayudar a los investigadores a comprender mejor los planetas gaseosos gigantes, como Júpiter, Saturno y exoplanetas relacionados, ya que se cree que estos planetas contienen una gran cantidad de hidrógeno metálico líquido, que puede ser responsable de los poderosos campos magnéticos observados.