AI utilizado para mostrar como hidrogénio torna-se um metal dentro planetas gigantes

Os investigadores, da Universidade de Cambridge, IBM Research e EPFL, aprendizagem máquina utilizados para imitar as interações entre átomos de hidrogénio, a fim de superar o tamanho e limitações de escala de tempo de até mesmo os computadores mais poderosos. Eles descobriram que, em vez de ocorrer como um súbito, ou de primeira ordem, de transição, as mudanças de hidrogénio de uma forma suave e gradual. Os resultados são relatados na revista Nature.

Hidrogénio, que consiste de um protão e um electrão, é ao mesmo tempo mais simples e o elemento mais abundante no universo. É o componente dominante do interior dos planetas gigantes do nosso sistema solar, Júpiter, Saturno, Urano e Netuno, assim como exoplanetas que orbitam outras estrelas.

Nas superfícies de planetas gigantes, hidrogénio permanece um gás molecular. Movendo-se mais profundamente nos interiores dos planetas gigantes no entanto, a pressão excede milhões de atmosferas normalizadas. Sob este extremo compressão, hidrogénio sofre uma transição de fase: as ligações covalentes dentro quebrar as moléculas de hidrogénio, e o gás torna-se um metal que condutas de electricidade.

"A existência de hidrogênio metálico foi teorizado há um século, mas o que não sabemos é como esse processo ocorre, devido às dificuldades em recriar as condições de extrema pressão do interior de um planeta gigante em um ambiente de laboratório, ea enorme complexidades de prever o comportamento de grandes sistemas de hidrogênio ", disse o autor principal, Dr. Bingqing Cheng de Cavendish Laboratory da Cambridge.

Experimentalistas têm tentado investigar hidrogénio denso utilizando uma bigorna de diamante, em que dois diamantes aplicar alta pressão a uma amostra confinada. Apesar de diamante é a substância mais dura na Terra, o dispositivo irá falhar sob extrema pressão e temperaturas elevadas, especialmente quando em contacto com hidrogénio, ao contrário da reivindicação que um diamante é sempre. Isso faz com que os experimentos difícil e caro.

Estudos teóricos também estão desafiando: embora o movimento de átomos de hidrogénio podem ser resolvidos utilizando equações com base na mecânica quântica, o poder computacional necessário para calcular o comportamento de sistemas com mais do que alguns milhares de átomos para mais do que alguns nanossegundos excede a capacidade do maiores e supercomputadores mais rápidos do mundo.

Considera-se geralmente que a transição de hidrogénio denso é de primeira ordem, que é acompanhada por mudanças abruptas em todas as propriedades físicas. Um exemplo comum de uma transição de fase de primeira ordem é água fervente líquido: uma vez que o líquido se torna um vapor, a sua aparência e comportamento mudar completamente apesar do facto de que a temperatura e a pressão permanecer a mesma.

No estudo corrente teórica, Cheng e seus colegas utilizaram máquina de aprendizagem para imitar as interações entre átomos de hidrogénio, a fim de superar as limitações de cálculos de mecânica quântica directa.

"Chegamos a uma conclusão surpreendente e encontrou evidências para uma molecular contínua a transição atômica no fluido de hidrogênio densa, em vez de um de primeira ordem", disse Cheng, que também é um júnior Research Fellow do Trinity College.

A transição é suave porque o 'ponto crítico' associada está escondido. Os pontos críticos são ubíquos em todas as transições de fase entre fluidos: todas as substâncias que podem existir em duas fases têm pontos críticos. Um sistema com um ponto crítico exposta, tal como a um para o vapor de água e líquido, tem fases claramente distintas. No entanto, o fluido denso de hidrogénio, com o ponto crítico escondido, pode transformar gradualmente e continuamente entre o nível molecular e as fases atómicas. Além disso, este ponto crítico escondidos também induz outros fenómenos anormais, incluindo densidade e capacidade de calor máximos.

A conclusão sobre a transição contínua proporciona uma nova maneira de interpretar o corpo contradizendo de experiências em hidrogénio densa. É também implica uma transição suave entre o isolante e camadas metálicas em planetas gigantes. O estudo não seria possível sem combinar o aprendizado de máquina, mecânica quântica e mecânica estatística. Sem qualquer dúvida, esta abordagem irá revelar percepções físicas mais sobre sistemas de hidrogênio no futuro. Como próximo passo, os pesquisadores pretendem responder às muitas questões em aberto sobre o diagrama de fase sólida de hidrogênio densa.

fonte: 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>.