Tät metalliskt väte - en fas av väte som beter sig som en elektrisk ledare - utgör det inre av jätteplaneter, men det är svårt att studera och dåligt förstådd. Genom att kombinera artificiell intelligens och kvantmekanik, forskare har funnit hur väte blir en metall under dessa planeters extrema tryckförhållanden.

Forskarna, från University of Cambridge, IBM Research och EPFL, använde maskininlärning för att efterlikna interaktionerna mellan väteatomer för att övervinna storleken och tidsskalabegränsningarna hos även de mest kraftfulla superdatorerna. De upptäckte att istället för att ske plötsligt, eller första ordningen, övergång, vätet förändras på ett smidigt och gradvis sätt. Resultaten redovisas i tidskriften Natur .

Väte, som består av en proton och en elektron, är både det enklaste och det mest förekommande elementet i universum. Det är den dominerande komponenten i det inre av jätteplaneterna i vårt solsystem - Jupiter, Saturnus, Uranus, och Neptunus – såväl som exoplaneter som kretsar kring andra stjärnor.

På ytorna av jätteplaneter, väte förblir en molekylär gas. Men rör sig djupare in i det inre av jätteplaneter, trycket överstiger miljontals standardatmosfärer. Under denna extrema kompression, väte genomgår en fasövergång:de kovalenta bindningarna inuti vätemolekylerna bryts, och gasen blir en metall som leder elektricitet.

"Förekomsten av metalliskt väte teoretiserades för ett sekel sedan, men vad vi inte har vetat är hur denna process uppstår, på grund av svårigheterna att återskapa de extrema tryckförhållandena i det inre av en jätteplanet i laboratoriemiljö, och den enorma komplexiteten i att förutsäga beteendet hos stora vätesystem, " sa huvudförfattaren Dr. Bingqing Cheng från Cambridges Cavendish Laboratory.

Experimentalister har försökt undersöka tätt väte med hjälp av en diamantstädcell, där två diamanter applicerar högt tryck på ett begränsat prov. Även om diamant är det hårdaste ämnet på jorden, enheten kommer att misslyckas under extremt tryck och höga temperaturer, speciellt vid kontakt med väte, tvärtemot påståendet att en diamant är för evigt. Detta gör experimenten både svåra och dyra.

Teoretiska studier är också utmanande:även om väteatomers rörelse kan lösas med hjälp av ekvationer baserade på kvantmekanik, den beräkningskraft som behövs för att beräkna beteendet hos system med fler än några tusen atomer under längre tid än några nanosekunder överstiger kapaciteten hos världens största och snabbaste superdatorer.

Det antas vanligen att övergången av tätt väte är första ordningens, som åtföljs av plötsliga förändringar i alla fysiska egenskaper. Ett vanligt exempel på en första ordningens fasövergång är kokande flytande vatten:när vätskan väl blir en ånga, dess utseende och beteende förändras helt trots att temperaturen och trycket förblir desamma.

I den aktuella teoretiska studien, Cheng och hennes kollegor använde maskininlärning för att efterlikna interaktionerna mellan väteatomer, för att övervinna begränsningar av direkta kvantmekaniska beräkningar.

"Vi kom till en överraskande slutsats och hittade bevis för en kontinuerlig molekylär till atomär övergång i den täta vätevätskan, istället för en första ordningen, sa Cheng, som också är juniorforskare vid Trinity College.

Övergången är smidig eftersom den associerade "kritiska punkten" är dold. Kritiska punkter är allestädes närvarande i alla fasövergångar mellan vätskor:alla ämnen som kan existera i två faser har kritiska punkter. Ett system med en utsatt kritisk punkt, som den för ånga och flytande vatten, har klart distinkta faser. Dock, den täta vätevätskan, med den dolda kritiska punkten, kan transformeras gradvis och kontinuerligt mellan molekyl- och atomfasen. Vidare, denna dolda kritiska punkt framkallar också andra ovanliga fenomen, inklusive densitet och värmekapacitetsmaxima.

Fyndet om den kontinuerliga övergången ger ett nytt sätt att tolka den motsägelsefulla mängden experiment på tätt väte. Det innebär också en mjuk övergång mellan isolerande och metalliska lager i gigantiska gasplaneter. Studien skulle inte vara möjlig utan att kombinera maskininlärning, kvantmekanik, och statistisk mekanik. Utan tvekan, detta tillvägagångssätt kommer att avslöja fler fysiska insikter om vätesystem i framtiden. Som nästa steg, forskarna siktar på att svara på de många öppna frågorna om fastfasdiagrammet för tätt väte.