Hidrógeno metálico - Metallic hydrogen

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 altas presiones y temperaturas, el hidrógeno metálico puede existir como parcialmente líquido en lugar de sólido , y los investigadores creen que podría estar presente en grandes cantidades en los interiores calientes y gravitacionalmente comprimidos 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 cubierto por una capa profunda de hidrógeno metálico líquido (mostrado como magenta) y una capa exterior predominantemente de hidrógeno molecular . La verdadera composición interior de Júpiter es incierta. Por ejemplo, el núcleo puede haberse encogido como corrientes de convección de hidrógeno metálico líquido caliente mezclado con el núcleo fundido y llevado su contenido a niveles más altos en el interior planetario. Además, no existe un límite físico claro entre las capas de hidrógeno: a medida que aumenta la profundidad, el gas aumenta suavemente en temperatura y densidad, y finalmente se vuelve líquido. Las características se muestran a escala, excepto las auroras y las órbitas de las lunas galileanas .

Hidrógeno a presión

Aunque a menudo se coloca en la parte superior de la columna de metales alcalinos de la tabla periódica , el hidrógeno no presenta, en condiciones normales, las propiedades de un metal alcalino. En cambio, forma diatómica H
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moléculas, análogas a los halógenos y algunos no metales del 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). 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 H discreto
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moléculas (que constan de dos electrones unidos entre dos protones), se formaría una fase masiva con una red sólida de protones y los electrones deslocalizados en todas partes. 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 a presiones de metalización más altas pero potencialmente alcanzables de alrededor de 400 GPa (3.900.000 atm; 58.000.000 psi).

Hidrógeno metálico líquido

El helio-4 es un líquido a presión normal cercana al cero absoluto , 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 ordenamiento (en relación con la ZPE) a altas presiones. Neil Ashcroft y otros han argumentado 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 de hecho reduce la temperatura de fusión del hidrógeno a un mínimo de 200-250 K (-73-23 ° C) a presiones de 500-1.500 GPa (4.900.000-14.800.000 atm; 73.000.000-218.000.000 psi).

Dentro de esta región plana podría haber una mesofase elemental intermedia entre el estado líquido y 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 la temperatura ambiente (290 K o 17 ° C). Esta hipótesis se basa en un fuerte acoplamiento esperado entre electrones de conducción y vibraciones reticulares . En realidad, esto puede haberse confirmado a principios de 2019, el hidrógeno metálico se ha producido al menos dos veces en el laboratorio, y Silvera et al y un equipo en Francia han observado tentativamente un efecto Meissner de 250K, pero no lo han verificado de forma independiente.

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, aunque es posible que no exista una forma metaestable adecuada para la producción en masa y el almacenamiento convencional de gran volumen.

Posibilidad de nuevos tipos de fluido cuántico

Los "super" estados de la materia actualmente conocidos son los superconductores , los líquidos y gases superfluidos y los 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 nuevos tipos 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 necesaria

En 2009, Zurek et al. predijo que la aleación LiH
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sería un metal estable a solo una cuarta parte de la presión requerida para metalizar el hidrógeno, y que efectos similares deberían aplicarse a las aleaciones de tipo LiH n y posiblemente a "otros sistemas alcalinos con alto contenido de hidruros ", es decir, aleaciones de tipo XH n donde X es un metal alcalino . Esto fue verificado posteriormente en AcH 8 y LaH 10 con T c se aproxima 270K que conduce a la especulación de que otros compuestos pueden incluso ser estable a meras presiones MPa con la superconductividad temperatura ambiente.

Persecución experimental

Compresión de 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 aproximadamente0,6 g / cm 3 . 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 comprimía 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 , originalmente empleada 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 se elevaba a 140 GPa (1.400.000 atm; 21.000.000 psi), la banda prohibida de energía electrónica , una medida de resistencia eléctrica , se reducía casi a cero. La banda prohibida del hidrógeno en su estado sin comprimir es de aproximadamente15  eV , lo que lo convierte en un aislante pero, a medida que la presión aumenta significativamente, la brecha de banda disminuyó gradualmente a0,3 eV . Debido a que la energía térmica del fluido (la temperatura llegó a ser de aproximadamente 3000 K o 2730 ° C debido a la compresión de la muestra) estaba por encima de0,3 eV , el hidrógeno podría considerarse metálico.

Otras investigaciones experimentales, 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 banda prohibida 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.

Experimento de calentamiento por láser pulsado, 2008

El máximo teóricamente predicho 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. Molecular rica en hidrógeno silano ( SiH
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) se afirmó que estaba metalizado y se convirtió en superconductor por MI Eremets et al. . Esta afirmación está en 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 a 300 GPa (2.600.000 a 3.000.000 atm). Esta afirmación fue cuestionada por otros investigadores en 2012.

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 de la reflectividad óptica.

Observación reclamada 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 una celda de yunque de diamante . 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 preimpresa del documento, Dias y Silvera escriben:

Al aumentar la presión observamos cambios en la muestra, pasando de transparente, a negro, a un metal reflectante, este último estudiado a una presión de 495 GPa ... la reflectancia utilizando un modelo de electrones libres Drude para determinar la frecuencia de plasma de 30.1 eV en T  = 5,5 K, con una densidad portadora de electrones correspondiente de6,7 × 10 23 partículas / cm 3 , de acuerdo con las estimaciones teóricas. Las propiedades son las de un metal. Se ha producido hidrógeno metálico sólido en el laboratorio.

-  Dias y 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, con el fin de 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 , la división de noticias de Nature publicó un artículo en el que afirmaba que algunos otros físicos consideraban el resultado con escepticismo. Recientemente, miembros prominentes de la comunidad de investigación de alta presión han criticado los resultados alegados, cuestionando las presiones alegadas o la presencia de hidrógeno metálico a las presiones alegadas.

En febrero de 2017, se informó que la muestra de hidrógeno metálico reclamado se perdió, luego de que los yunques de diamante se encontraran entre rotos.

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

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

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

En agosto de 2018, los científicos anunciaron nuevas observaciones con respecto a la rápida transformación del deuterio fluido de una forma aislante a una metálica por debajo de 2000 K. Se encuentra una concordancia notable entre los datos experimentales y las predicciones basadas en simulaciones de Quantum Monte Carlo, que se espera que sea la 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 dichos planetas contienen una gran cantidad de hidrógeno metálico líquido, que puede ser responsable de sus poderosos campos magnéticos observados .

Ver también

Referencias