L’idrogeno metallico denso – una fase dell’idrogeno in cui questo si comporta come un conduttore elettrico – costituisce l’interno dei pianeti giganti, ma è difficile da studiare ed è tutt’ora poco compreso. Combinando intelligenza artificiale e meccanica quantistica, i ricercatori hanno scoperto come l’idrogeno assuma lo stato di metallo nelle condizioni di estrema pressione presenti sui mondi giganti.
I ricercatori dell’Università di Cambridge, dell’IBM Research e EPFL hanno utilizzato l’intelligenza artificiale per imitare le interazioni tra gli atomi di idrogeno al fine di superare i limiti di dimensione e scala temporale anche dei supercomputer più potenti. Ciò facendo hanno scoperto che la trasformazione dell’idrogeno, anziché avvenire in modo improvviso, è il risultato di una transizione graduale e regolare. I risultati sono riportati sulla rivista Nature.
L’idrogeno, costituito da un protone e un elettrone, è sia l’elemento più semplice che quello più abbondante nell’universo. È la componente dominante dell’interno dei pianeti giganti del nostro sistema solare – Giove, Saturno, Urano e Nettuno – così come degli esopianeti in orbita attorno ad altre stelle.
Sulla superficie dei pianeti giganti, l’idrogeno rimane un gas molecolare. Spostandosi più in profondità, all’interno dei pianeti giganti, la pressione supera milioni di atmosfere standard. Sotto questa compressione estrema, l’idrogeno subisce un passaggio di stato: i legami covalenti all’interno delle molecole di idrogeno si rompono e il gas diventa un metallo che conduce l’elettricità.
«L’esistenza dell’idrogeno metallico è stata teorizzata un secolo fa, ma ciò che non sappiamo è come avvenga questo processo, a causa delle difficoltà nel ricreare in un ambiente di laboratorio le condizioni di estrema pressione che si verificano all’interno di un pianeta, e dell’enorme complessità di previsione del comportamento dei grandi sistemi a idrogeno», ha detto l’autore principale dello studio, Bingqing Cheng del Cavendish Laboratory di Cambridge.
Fino ad oggi si riteneva che la transizione dell’idrogeno denso fosse del primo ordine, quindi accompagnata da bruschi cambiamenti in tutte le sue proprietà fisiche. Un esempio comune di transizione di fase del primo ordine è l’ebollizione dell’acqua liquida: una volta che il liquido diventa vapore, il suo aspetto e il suo comportamento cambiano completamente nonostante la temperatura e la pressione rimangano le stesse.
Nell’attuale studio, Cheng e i suoi colleghi hanno utilizzato l’intelligenza artificiale per imitare le interazioni tra gli atomi di idrogeno, al fine di superare i limiti dei calcoli meccanici quantistici diretti. «Siamo giunti a una conclusione sorprendente e abbiamo trovato prove di una continua transizione molecolare ad atomica nel fluido denso di idrogeno, invece di una del primo ordine», ha detto Cheng, che è anche Junior Research Fellow presso il Trinity College.
La scoperta sulla transizione continua fornisce un nuovo modo di interpretare gli esperimenti sull’idrogeno denso. Implica anche una transizione graduale tra strati isolanti e metallici nei pianeti gassosi giganti. Lo studio è stato possibile combinando intelligenza artificiale, meccanica quantistica e meccanica statistica. Gli scienziati ritengono che in futuro questo approccio consentirà di scoprire ulteriori informazioni fisiche sui sistemi a idrogeno. Come passo successivo, i ricercatori mirano a rispondere alle molte domande aperte riguardanti il diagramma di fase solido dell’idrogeno denso.