De acordo com as previsões da física da matéria condensada, a uma pressão alta o suficiente, o hidrogênio deve se dissociar e se transformar em um metal atômico. Contudo, a faixa de pressão exata em que isso ocorre ainda não foi determinada, e o processo pelo qual o hidrogênio se torna um metal ainda não está claro.

Em um estudo recente, pesquisadores do Instituto de Química Max Planck demonstraram que a uma pressão de 350-360 GPa e a temperaturas abaixo de 200K, o hidrogênio molecular começa a conduzir e se torna semimetálico. Seu papel, publicado em Física da Natureza , fornece uma nova visão interessante sobre a transição do hidrogênio em altas pressões, revelando algumas das propriedades que adquire.

"Tipicamente, hidrogênio metálico é considerado hidrogênio atômico - um cristal construído a partir de prótons após a dissociação das moléculas, "Mikhail Eremets, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse a Phys.org. "Contudo, hidrogênio também pode se transformar em um metal no estado molecular - neste caso, bandas eletrônicas de cristal de hidrogênio molecular se ampliam e, eventualmente, se sobrepõem para que o gap se feche, elétrons livres e lacunas aparecem - este é o estado metálico. "

O estado inicial no qual as bandas eletrônicas do cristal de hidrogênio molecular se sobrepõem é conhecido como semimetal. Neste estado, o metal tem baixa condutividade, pois o número de operadoras é baixo. Se a pressão aumentar ainda mais, Contudo, esse metal mal condutor se transforma em um metal normal e, por fim, em hidrogênio atômico.

"Nosso objetivo era encontrar a pressão em que a condutividade elétrica metálica aparece, e se isso resultar em um metal molecular ou atômico, "Disse Eremets." Assim, realizamos medições elétricas, pois este é o único método que nos diz diretamente se o hidrogênio conduz e se é um metal. Um metal normalmente conduz às temperaturas mais baixas; um semicondutor também pode conduzir, mas em temperaturas mais baixas, a condutividade diminui exponencialmente e desaparece. "

Em seus experimentos, os pesquisadores reuniram medições Raman de até 480 GPa para identificar as mudanças que ocorrem no hidrogênio em diferentes pressões. Eles descobriram que o hidrogênio começou a conduzir a pressões acima de 360 ​​GPa, mas permaneceu um semimetal até 440 GPa.

Para coletar medições Raman, os pesquisadores usaram pequenos DACs com diamantes sintéticos. Esses diamantes têm luminescência extremamente baixa, mesmo em pressões de ~ 500 GPa. Para medições elétricas, por outro lado, eles usaram quatro condutores elétricos pulverizados em bigornas de diamante, que foram isolados da junta metálica por uma camada isolante.

Geral, as medições que coletaram mostraram que o hidrogênio semimetálico observado em seus experimentos está no estado molecular. Essas descobertas, portanto, confirmam sua hipótese de que o hidrogênio se torna um metal em seu estado molecular.

"Acima de 360 ​​GPa, a condutividade elétrica aumentou fortemente com a pressão, "Eremets explicou." A condutividade não diminuiu exponencialmente com o resfriamento, indicando que o hidrogênio não é um semicondutor. Por outro lado, não é um bom metal, como a condutividade aumenta apenas ligeiramente com o resfriamento. Tal comportamento é típico de semimetais, como o bismuto, ou semimetais induzidos por pressão, como oxigênio ou xenônio. "

Geral, as medições coletadas por Eremets e seus colegas fornecem evidências de que o hidrogênio semimetálico permanece no estado molecular pelo menos até uma pressão de 440 GPa. Quando a pressão sobe acima de 440GPa, Contudo, o sinal Raman emitido pelo hidrogênio desaparece, o que sugere que uma nova transformação está ocorrendo.

“Alcançar as pressões necessárias acima de 350 GPa é uma tarefa difícil, "Disse Eremets." Depende de uma série de fatores, primeiro, da geometria das bigornas. Fizemos muitas tentativas para atingir as pressões multimegabar. Contudo, obtivemos dados reproduzíveis. "

O estudo recente realizado por Eremets e seus colegas demonstra claramente que acima de ~ 360 GPa, o hidrogênio se transforma em um semimetal em seu estado molecular. Contudo, esta substância semimetálica apresenta algum comportamento incomum, o que não está alinhado com as previsões teóricas comuns de hidrogênio metálico em um estado atômico. Pelo contrário, os pesquisadores observaram que o hidrogênio se transforma em uma substância semimetálica em seu estado molecular.

"Nossas descobertas devem estimular mais trabalhos teóricos e experimentais sobre a compreensão da complexa transformação de hidrogênio em metal, "Eremets disse." Agora estamos planejando estender nossas medições elétricas para pressões mais altas e encontrar supercondutividade no hidrogênio metálico. "

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