O hidrogênio metálico denso – uma fase do hidrogênio que se comporta como um condutor elétrico – constitui o interior de planetas gigantes, mas é difícil de estudar e mal compreendido. Ao combinar inteligência artificial e mecânica quântica, os pesquisadores descobriram como o hidrogênio 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 máquina para imitar as interações entre os átomos de hidrogênio a fim de superar as limitações de tamanho e escala de tempo até mesmo dos supercomputadores mais poderosos. Eles descobriram que, em vez de acontecer como uma transição súbita ou de primeira ordem, o hidrogênio muda de maneira suave e gradual. Os resultados são publicados na revista Nature.
O hidrogênio, consistindo de um próton e um elétron, é o elemento mais simples e mais abundante do Universo. É o componente dominante do interior dos planetas gigantes em nosso sistema solar – Júpiter, Saturno, Urano e Netuno – assim como exoplanetas orbitando outras estrelas.
Nas superfícies de planetas gigantes, o hidrogênio continua sendo um gás molecular. Movendo-se mais profundamente no interior de planetas gigantes, entretanto, a pressão excede milhões de atmosferas padrão. Sob essa compressão extrema, o hidrogênio passa por uma transição de fase: as ligações covalentes dentro das moléculas de hidrogênio se rompem e o gás se torna um metal que conduz eletricidade.
?A existência do hidrogênio metálico foi teorizada há um século, mas o que não sabemos é como ocorre esse processo, devido às 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 hidrogênio “, disse o autor principal, Dr. Bingqing Cheng, do Laboratório Cavendish de Cambridge.
Experimentalistas tentaram investigar o hidrogênio denso usando uma célula 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 irá falhar sob extrema pressão e altas temperaturas, especialmente quando em contato com o hidrogênio, ao contrário da alegação de que um diamante é para sempre. Isso torna os experimentos difíceis e caros.
Os estudos teóricos também são desafiadores: embora o movimento dos átomos de hidrogênio possa ser resolvido usando equações baseadas na mecânica quântica, o poder computacional necessário para calcular o comportamento de sistemas com mais de alguns milhares de átomos por mais do que alguns nanossegundos excede a capacidade do maiores e mais rápidos supercomputadores do mundo.
É comumente assumido que a transição do hidrogênio denso é de primeira ordem, que é acompanhada por mudanças abruptas em todas as propriedades físicas. Um exemplo comum de transição de fase de primeira ordem é água em ebulição líquida: uma vez que o líquido se torna um vapor, sua aparência e comportamento mudam completamente, apesar do fato de que a temperatura e a pressão permanecem as mesmas.
No estudo teórico atual, Cheng e seus colegas usaram o aprendizado de máquina para imitar as interações entre os átomos de hidrogênio, a fim de superar as limitações dos cálculos mecânicos quânticos diretos.
“Nós chegamos a uma conclusão surpreendente e encontramos evidências de uma transição molecular para atômica contínua no fluido de hidrogênio denso, em vez de uma de primeira ordem”, disse Cheng, que também é pesquisador júnior no Trinity College.
A transição é suave porque o ‘ponto crítico’ associado está oculto. Os pontos críticos são onipresentes em todas as transições de fase entre os fluidos: todas as substâncias que podem existir em duas fases têm pontos críticos. Um sistema com um ponto crítico exposto, como o de vapor e água líquida, tem fases claramente distintas. Porém, o denso fluido de hidrogênio, 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 fenômenos incomuns, incluindo densidade máxima e capacidade de calor.
A descoberta sobre a transição contínua fornece uma nova maneira de interpretar o corpo contraditório de experimentos com hidrogênio denso. Também implica uma transição suave entre as camadas isolantes e metálicas em planetas gasosos gigantes. O estudo não seria possível sem combinar aprendizado de máquina, mecânica quântica e mecânica estatística. Sem dúvida, essa abordagem vai revelar mais percepções físicas sobre os sistemas de hidrogênio no futuro. Como próximo passo, os pesquisadores pretendem responder às muitas questões em aberto relativas ao diagrama de fase sólida do hidrogênio denso.
Publicado em 12/09/2020 16h17
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