AI wat gebruik word om te wys hoe waterstof word 'n metaal in reuse-planete

Die navorsers van die Universiteit van Cambridge, IBM Navorsing en EPFL, gebruik masjien leer na te boots die interaksies tussen waterstofatome om die grootte en tydskaal beperkings van selfs die mees kragtige super oorkom. Hulle het bevind dat in plaas van gebeur as 'n skielike, of eerste-orde, oorgang, die waterstof veranderinge in 'n gladde en geleidelike manier. Die resultate word berig in die tydskrif Nature.

Waterstof, wat bestaan ​​uit een proton en een elektron, is beide die eenvoudigste en die volopste element in die heelal. Dit is die dominante komponent van die binnekant van die reuse-planete in ons sonnestelsel, Jupiter, Saturnus, Uranus en Neptunus, asook eksoplanete wentel ander sterre.

Op die oppervlak van reuse-planete, waterstof bly 'n molekulêre gas. Beweeg dieper in die binneland van reuse-planete egter die druk oorskry miljoene standaard atmosfeer. Onder hierdie uiterste kompressie, waterstof ondergaan 'n fase-oorgang: die kovalente bindings binne waterstof molekules breek, en die gas word 'n metaal wat gelei elektrisiteit.

"Die bestaan ​​van metaal waterstof is 'n eeu gelede teorie, maar wat ons nie geken het nie, is hoe hierdie proses plaasvind, te danke aan die probleme in herskep die geweldige druk voorwaardes van die binnekant van 'n reuse-planeet in 'n laboratorium omgewing, en die enorme kompleksiteit van die voorspelling van die gedrag van groot waterstof stelsels, "sê hoofskrywer Dr Bingqing Cheng van Cavendish Laboratory Cambridge se.

Eksperimenteerders het probeer om digte waterstof te ondersoek met behulp van 'n diamant aambeeld sel, waarin twee diamante van toepassing hoë druk om 'n beperkte monster. Hoewel diamant is die hardste stof op aarde, sal die toestel versuim onder geweldige druk en hoë temperature, veral wanneer dit in kontak met waterstof, in teenstelling met die bewering dat 'n diamant is vir ewig. Dit maak die eksperimente beide moeilik en duur.

Teoretiese studies is ook 'n uitdaging: hoewel die beweging van waterstofatome opgelos kan word met behulp van vergelykings gebaseer op kwantum meganika, die rekenkracht wat nodig is om die gedrag van stelsels te bereken met meer as 'n paar duisend atome vir langer as 'n paar nano sekondes oortref die vermoë van die wêreld se grootste en vinnigste superrekenaars.

Dit word algemeen aanvaar dat die oorgang van digte waterstof is eerste-orde, wat gepaard gaan met skielike veranderinge in die hele fisiese eienskappe. 'N Algemene voorbeeld van 'n eerste-orde fase oorgang kook vloeibare water: sodra die vloeistof word 'n damp, sy voorkoms en gedrag heeltemal verander ten spyte van die feit dat die temperatuur en die druk dieselfde bly.

In die huidige teoretiese studie, Cheng en haar kollegas gebruik masjien leer na te boots die interaksies tussen waterstofatome, ten einde beperkings van direkte kwantummeganiese berekenings te bowe te kom.

"Ons het 'n verrassende gevolgtrekking en bewyse gevind vir 'n aaneenlopende molekulêre om atoom oorgang in die digte waterstof vloeistof, in plaas van 'n eerste-orde een," het Cheng, wat ook 'n Junior Navorsingsgenoot by Trinity College.

Die oorgang glad omdat die verband 'n kritieke punt 'is weggesteek. Kritieke punte is alomteenwoordig in alle fase oorgange tussen vloeistowwe: alle stowwe wat kan bestaan ​​in twee fases het kritieke punte. 'N Stelsel met 'n oop kritieke punt, soos die een vir dampe en vloeibare water, het duidelik onderskeibare fases. Maar die digte waterstof vloeistof, met die verborge kritieke punt, kan geleidelik en voortdurend te transformeer tussen die molekulêre en die atoom fases. Verder is hierdie verborge kritieke punt induseer ook ander ongewone verskynsels, insluitende digtheid en warmtekapasiteit maksima.

Die bevinding oor die voortdurende oorgang bied 'n nuwe manier van interpretasie van die weerspreek liggaam van eksperimente op digte waterstof. Dit impliseer ook 'n gladde oorgang tussen isolerende en metaal lae in reuse gas planete. Die studie sou nie moontlik wees sonder die kombinasie van masjienleer, kwantummeganika en statistiese meganika. Sonder enige twyfel, sal hierdie benadering te ontbloot meer fisiese insigte oor waterstof stelsels in die toekoms. As die volgende stap, het die navorsers daarop gemik is om die baie oop vrae met betrekking tot die vaste fase diagram van digte waterstof beantwoord.

bron: University of Cambridge. "AI used to show how hydrogen becomes a metal inside giant planets." ScienceDaily. ScienceDaily, 9 September 2020. <www.sciencedaily.com/releases/2020/09/200909114858.htm>.