O hidrogênio metálico denso - uma fase do hidrogênio que se comporta como um condutor elétrico - compõe o interior de planetas gigantes, mas é difícil de estudar e mal compreendido. Ao combinar inteligência artificial e mecânica quântica, 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, usou 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 de repente, ou de primeira ordem, transição, o hidrogênio muda de maneira suave e gradual. Os resultados são relatados no jornal Natureza .

Hidrogênio, consistindo em 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 - bem 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, no entanto, 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 de hidrogênio metálico foi teorizada há um século, mas o que não sabemos é como esse processo ocorre, 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, em que 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 hidrogênio, contrário à afirmação 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 de alguns nanossegundos excede a capacidade dos maiores e mais rápidos supercomputadores do mundo.

É comumente assumido que a transição do hidrogênio denso é de primeira ordem, que é acompanhado por mudanças abruptas em todas as propriedades físicas. Um exemplo comum de uma transição de fase de primeira ordem é ferver a água 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 diretos da mecânica quântica.

"Chegamos a uma conclusão surpreendente e encontramos evidências de uma transição molecular para atômica contínua no fluido denso de hidrogênio, em vez de um 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 aquele para vapor e água líquida, tem fases claramente distintas. Contudo, o fluido denso de hidrogênio, com o ponto crítico oculto, pode transformar-se gradualmente e continuamente entre as fases molecular e atômica. Além disso, este ponto crítico oculto também induz outros fenômenos incomuns, incluindo densidade e máximos de 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 o aprendizado de máquina, mecânica quântica, e mecânica estatística. Sem sombra de dúvida, esta abordagem irá revelar mais percepções físicas sobre os sistemas de hidrogênio no futuro. Na próxima etapa, os pesquisadores pretendem responder às muitas questões em aberto sobre o diagrama de fase sólida do hidrogênio denso.