AI verwendet zu zeigen, wie Wasserstoff ein Metall im Inneren großen Planeten wird

Die Forscher von der University of Cambridge, IBM Research und EPFL, gebrauchten maschinellem Lernen zu imitieren die Wechselwirkungen zwischen Wasserstoffatomen, um die Größe und Zeitplan Grenzen selbst den leistungsstärksten Supercomputer zu überwinden. Sie fanden heraus, dass statt als plötzlich von geschehen, oder erste Ordnung, Übergang, die Wasserstoff Veränderungen in einer glatten und allmählichen Weise. Die Ergebnisse sind in der Zeitschrift Nature berichtet.

Wasserstoff, bestehend aus einem Proton und ein Elektron, ist sowohl die einfachste und häufigste Element im Universum. Es ist die dominierende Komponente des Inneren der Riesenplaneten in unserem Sonnensystem, Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun sowie Exoplaneten um andere Sterne kreisen.

An den Oberflächen der großen Planeten Wasserstoff bleibt ein molekulares Gas. Bewegen tiefer in das Innere des Riesenplaneten jedoch übersteigt der Druck Millionen Normalklimate. Unter dieser extremen Kompression erfährt Wasserstoff einen Phasenübergang: die kovalenten Bindungen innerhalb von Wasserstoffmolekülen zu brechen, und das Gas wird zu einem Metall, der Strom leitet.

„Die Existenz von metallischem Wasserstoff wurde vor einem Jahrhundert theoretisiert, aber was wir haben nicht bekannt ist, wie dieser Prozess stattfindet, aufgrund der Schwierigkeiten bei der Neuerstellung der extremen Druckbedingungen des Inneren eines riesigen Planeten in einer Laborumgebung, und die enorme Komplexität des Verhaltens von großen Wasserstoffsysteme die Vorhersage“, sagte führen Autor Dr. Bingqing Cheng von Cambridge Cavendish Laboratory.

Experimentatoren versucht haben dichten Wasserstoff zu untersuchen eine Diamantstempelzelle verwendet wird, in der zwei Diamanten Hochdruck auf einen begrenzten Probe anzuwenden. Obwohl Diamant die härteste Substanz auf der Erde ist, wird das Gerät unter extremem Druck und hohe Temperaturen ausfallen, insbesondere, wenn sie in Kontakt mit Wasserstoff, im Gegensatz zu der Behauptung, dass ein Diamant ist für immer. Dies macht die Experimente sowohl schwierig als auch kostspielig.

Theoretische Studien sind eine Herausforderung auch: Obwohl die Bewegung der Wasserstoffatome können Gleichungen gelöst werden, indem basierend auf Quantenmechanik, die Rechenleistung benötigt, um das Verhalten von Systemen mit mehr als ein paar tausend Atome für länger als ein paar Nanosekunden übersteigt die Fähigkeit, die zur Berechnung weltweit größte und schnellste Supercomputer.

Es wird allgemein angenommen, dass der Übergang von dichtem Wasserstoff erster Ordnung, die durch abrupte Änderungen in allen physikalischen Eigenschaften begleitet wird. Ein gängiges Beispiel eines erste Ordnung Phasenübergang wird flüssiges siedendes Wasser: Sobald die Flüssigkeit ein Dampf wird, sein Aussehen und das Verhalten vollständig, trotz der Tatsache ändern, dass die Temperatur und der Druck der gleichen bleiben.

In der aktuellen theoretischen Studie, Cheng und ihre Kollegen maschinelles Lernen zu imitieren, die Wechselwirkungen zwischen Wasserstoffatomen verwendet werden, um Einschränkungen der direkten quantenmechanischen Berechnungen zu überwinden.

„Wir haben ein überraschendes Ergebnis erreicht und fanden Beweise für ein kontinuierliche molekularen bis atomaren Übergang in der dichten Wasserstoffflüssigkeit, anstelle einer erste Ordnung,“ sagte Cheng, der auch ein Junior Research Fellow am Trinity College.

Der Übergang ist glatt, weil der damit verbundene ‚kritische Punkt‘ versteckt ist. Kritische Punkte sind allgegenwärtig in allen Phasenübergänge zwischen Flüssigkeiten: alle Stoffe, die in zwei Phasen haben kritische Punkte existieren können. Ein System mit einem freiliegenden kritischen Punkt, wie etwa der für Dampf und flüssiges Wasser, hat eindeutig unterschiedliche Phasen. Allerdings ist die dichte Wasserstoff Flüssigkeit, mit dem kritischen Punkt versteckt, kann zwischen den molekularen und atomaren Phasen allmählich und kontinuierlich verändern. Darüber hinaus ist dieser versteckte kritische Punkt induziert auch andere ungewöhnliche Phänomene, einschließlich Dichte und Wärmekapazität Maxima.

Die Feststellung über den kontinuierlichen Übergang stellt einen neuen Weg, um den Widerspruch zu Körper von Experimenten an dichten Wasserstoff zu interpretieren. Es bedeutet auch, um einen reibungslosen Übergang zwischen isolierenden und metallischen Schichten in riesigen Gasplaneten. Die Studie wäre nicht möglich, ohne maschinelles Lernen kombiniert, Quantenmechanik und statistische Mechanik. Ohne Zweifel wird dieser Ansatz mehr physikalische Erkenntnisse über Wasserstoffsysteme in Zukunft aufzudecken. Als nächsten Schritt wollen die Forscher die vielen offenen Fragen in Bezug auf das Festphasendiagramm dichten Wasserstoff beantworten.

Quelle: 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>.