Ученые выяснили, как водород превращается в металл в критических условиях

Как водород становится металлом в недрах планет-гигантов

Плотный металлический водород — фаза водорода, которая ведет себя как электрический проводник — составляет внутреннюю часть планет-гигантов, но ее трудно изучать и потому природа ее до сих пор вызывает вопросы. Объединив искусственный интеллект и квантовую механику, исследователи выяснили, как водород превращается в металл в условиях экстремального давления в самом сердце далеких планет.

Водород, состоящий из одного протона и одного электрона, является самым простым и самым распространенным элементом во Вселенной. Это доминирующий компонент внутренней части планет-гигантов в нашей солнечной системе — Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна, а также экзопланет, вращающихся вокруг других звезд.

На поверхности планет-гигантов водород остается молекулярным газом. Однако при более глубоком проникновении в недра планет-гигантов давление превышает миллионы стандартных атмосфер. При таком экстремальном сжатии водород претерпевает фазовый переход: ковалентные связи внутри молекул водорода разрываются, и газ становится металлом, проводящим электричество.

Экспериментаторы пытались исследовать плотный водород, используя ячейку с алмазной наковальней, в которой два алмаза оказывают высокое давление на замкнутый между ними образец. Хотя алмаз — самое твердое вещество на Земле, на практике такое устройство выходит из строя при экстремальном давлении и высоких температурах, особенно при контакте с водородом, — вопреки утверждениям о том, что алмаз «вечен». Это обстоятельство делает эксперименты сложными и очень дорогими.

Однако исследователи из Кембриджского университета, IBM Research и EPFL использовали машинное обучение для имитации взаимодействия между атомами водорода, чтобы преодолеть ограничения по размеру и временному масштабу даже самых мощных суперкомпьютеров. Ученые ожидали, что водород переходит в металл резко и быстро, но данные симуляции показали обратное: вещество изменялось плавно и постепенно. Результаты новой работы опубликованы в журнале Nature.

Открытие такого «непрерывного» перехода дарит ученым новый способ интерпретации противоречивого множества экспериментов с плотным водородом. Это обстоятельство также подразумевает плавный переход между изоляционным и металлическим слоями на гигантских газовых планетах. В качестве следующего шага исследователи хотят ответить на многие еще открытые вопросы, касающиеся особенностей твердого состояния плотного водорода.