Un nuevo descubrimiento de hidrógeno podría hacer realidad los superconductores a temperatura ambiente

Efecto Meissner (levitación magnética superconductora)

El hidrógeno está en todas partes: representa alrededor del 75% de toda la materia que estamos seguros de conocer. La ciencia se ha acercado a los átomos de hidrógeno durante mucho tiempo, porque son fragmentos del elemento químico más simple que conocemos. El hidrógeno nos dice mucho sobre los primeros momentos del universo en el que vivimos, antes de que todo comenzara a complicarse y a volverse discreto.

Una de las cosas que hemos aprendido al estudiar el hidrógeno es que, cuando es sólido, se supone que se comporta como un metal alcalino: con un electrón de valencia libre, esperamos que actúe como otros metales con una carga +1. Pero no podemos hacer que actúe como un metal. Hemos hecho muchas cosas con el hidrógeno; a estas alturas, podemos enfriarlo hasta convertirlo en líquido con bastante facilidad. Los mortales hemos transformado átomos de hidrógeno en un condensado de Bose-Einstein. Pero hasta ahora todavía no hemos logrado que se comporte como un metal, no importa cómo lo aplastemos o enfríemos.



Lo que tener gestionado, a partir de la semana pasada, es crear una nueva fase de hidrógeno - no es un líquido, no es un gas.



Una luna gira y tiene fases

Gracias a la física de la materia condensada por el diagrama de fases: un gráfico como este, que muestra el comportamiento del hidrógeno a diferentes presiones, volúmenes y temperaturas. Todo lo demás también tiene un diagrama de fases.

Espacio de fase sólido: diagrama de fase general, tridimensional de presión-volumen-temperatura



Por ejemplo, el agua es químicamente interesante: el comportamiento del hidrógeno en el agua significa que hay una docena de tipos diferentes de hielo, y no solo en el sentido de treinta palabras por nieve. Los enlaces que le dan a las moléculas de agua las propiedades que tienen pueden cambiar dependiendo de la presión y la temperatura, y eso a su vez cambia las propiedades del agua misma.

El agua hace locuras. ¿Quien sabe?

Diagrama de fases del agua, que muestra cómo se comporta a diferentes presiones y temperaturas.

Simplemente no tenemos las presiones necesarias en nuestro planeta para ver hidrógeno metálico. Para encontrar el material, hay que mirar los núcleos de gigantes gaseosos como Júpiter, o retroceder en el tiempo hasta los primeros cientos de miles de años después del Big Bang. Estas son fases del hidrógeno que no vemos en nuestro mundo natural. Sin embargo, usar diamantes casi incompresibles para triturar átomos de hidrógeno junto con una fuerza monumental es una forma en que podemos comenzar a replicar las presiones locas que se encuentran dentro de Júpiter. Júpiter es un lugar relativamente peatonal, aquí en nuestro propio sistema solar templado y clemente. Cómodo en el hueco de uno de los brazos espirales de nuestra galaxia ordinaria, vivimos en un remolino rico y tranquilo, lejos de los extremos que vemos en otras partes de nuestro universo todavía en expansión. Pero no tan lejos en el núcleo de Júpiter, las condiciones son bastante locas.



La presión aplastante dentro de Júpiter lo fusionaría en una estrella si fuera mucho más grande. Y todavía hace bastante calor, incluso si no inició una fusión estelar. En la 'superficie' de Júpiter, dado que Júpiter tiene una superficie bien distinguida que no es solo un límite entre densidades ligeramente diferentes de lodo de gas noble esponjoso, la temperatura es de unos suaves ~ 340 K, unos 150 ° F. Sin embargo, hacia el núcleo hay un manto grueso de hidrógeno metálico responsable del asombroso campo magnético de Júpiter, y la alta presión en el manto significa que los átomos de hidrógeno tienen que agruparse en un estado muy ordenado. Hace más calor y el comportamiento se vuelve más extraño, cuanto más bajas vas.

Diagrama de Júpiter, de Wikipedia

Todo lo que nunca supiste que querías saber sobre la anatomía de Júpiter

El calor y la alta presión son una forma en que puede crear las condiciones para el hidrógeno metálico. Pero hay otra forma. Las bajas temperaturas y las altas presiones son más prácticas aquí en la Tierra, aunque solo sea porque es difícil contener unos pocos átomos de hidrógeno muy calientes cuando el material puede difundirse básicamente a través de cualquier cosa en la que intentes embotellarlo.

Tres investigadores de la Universidad de Edimburgo utilizaron una celda de yunque de diamante para aplicar 388 gigaPascales de presión a algunos átomos de hidrógeno. Esta es una presión ridícula, mayor que las presiones dentro del manto de hidrógeno metálico de Júpiter. Pero los científicos decidieron hacerlo a una temperatura mucho más fría: 300 grados Kelvin, que está bastante cerca de la temperatura ambiente aquí en la Tierra.

A medida que aumentaban la presión, los investigadores vieron que la evidencia espectroscópica de los enlaces que mantenían unidos los electrones y los núcleos de hidrógeno comenzaba a desaparecer. La alta presión obliga a los átomos a agruparse e interactuar entre sí, y cuando están empaquetados con la suficiente firmeza, las propiedades de las cosas comienzan a cambiar. Los límites entre los estados de fase no son todo o nada; En condiciones extremas podemos observar cambios de fase parciales, estados intermedios donde el hidrógeno no es completamente líquido, pero tampoco completamente gaseoso, dependiendo de lo que estén haciendo realmente las partículas individuales.

Dado que algunos signos de enlace todavía estaban presentes bajo la espectroscopía Raman, el equipo afirma que han encontrado una nueva fase de hidrógeno que existe 'entre' el líquido y el gas. No todos los electrones se han liberado de sus núcleos, por lo que esto puede representar un paso intermedio en la transición de fase de gas a líquido del hidrógeno (condensación de gas a líquido) a alta presión y baja temperatura. Lo llaman hidrógeno V.

Diagrama de fases propuesto de hidrógeno, hasta 400 gPa

Diagrama de fases propuesto de hidrógeno, hasta 400 gPa. El recuadro muestra el comportamiento del deuterio, que no forma hidrógeno V

Un uso potencial del hidrógeno metálico podría ser como superconductor a temperatura ambiente. Estos superconductores han resultado difíciles de alcanzar en el mundo real, y la presión necesaria para crear hidrógeno metálico podría ponerlo más allá de nuestro alcance. El pensamiento actual es que se necesitarían aproximadamente 400 GPa de presión para crear hidrógeno metálico a temperatura ambiente. Eso es el equivalente a cuatro millones de atmósferas de presión. El equipo de investigación tiene la intención de seguir repitiendo el experimento a presiones más altas hasta que formen hidrógeno metálico o el yunque del diamante se rompa.

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