AI plejede at vise, hvordan brint bliver et metal inde i gigantiske planeter

Tæt metallisk brint - en hydrogenfase, der opfører sig som en elektrisk leder - udgør det indre af gigantiske planeter, men det er svært at studere og dårligt forstået. Ved at kombinere kunstig intelligens og kvantemekanik, forskere har fundet ud af, hvordan brint bliver et metal under disse planeters ekstreme trykforhold.

Forskerne, fra University of Cambridge, IBM Research og EPFL, brugte maskinlæring til at efterligne interaktionerne mellem brintatomer for at overvinde størrelsen og tidsskalaens begrænsninger for selv de mest kraftfulde supercomputere. De fandt ud af, at i stedet for at ske pludselig, eller første orden, overgang, hydrogenet ændrer sig på en jævn og gradvis måde. Resultaterne er rapporteret i journalen Natur .

Brint, bestående af en proton og en elektron, er både det enkleste og det mest udbredte element i universet. Det er den dominerende komponent i det indre af de gigantiske planeter i vores solsystem - Jupiter, Saturn, Uranus, og Neptun – såvel som exoplaneter, der kredser om andre stjerner.

På overfladen af ​​gigantiske planeter, brint forbliver en molekylær gas. Men bevæger sig dybere ind i det indre af gigantiske planeter, trykket overstiger millioner af standardatmosfærer. Under denne ekstreme kompression, brint gennemgår en faseovergang:de kovalente bindinger inde i brintmolekyler brydes, og gassen bliver til et metal, der leder elektricitet.

"Eksistensen af ​​metallisk brint blev teoretiseret for et århundrede siden, men hvad vi ikke har kendt er, hvordan denne proces sker, på grund af vanskelighederne med at genskabe de ekstreme trykforhold i det indre af en kæmpe planet i laboratoriemiljøer, og den enorme kompleksitet ved at forudsige adfærden af ​​store brintsystemer, " sagde hovedforfatter Dr. Bingqing Cheng fra Cambridges Cavendish Laboratory.

Eksperimentalister har forsøgt at undersøge tæt brint ved hjælp af en diamantamboltcelle, hvor to diamanter anvender højt tryk på en begrænset prøve. Selvom diamant er det hårdeste stof på jorden, enheden svigter under ekstremt tryk og høje temperaturer, især ved kontakt med brint, i modsætning til påstanden om, at en diamant er for evigt. Det gør eksperimenterne både vanskelige og dyre.

Teoretiske undersøgelser er også udfordrende:selvom hydrogenatoms bevægelse kan løses ved hjælp af ligninger baseret på kvantemekanik, den beregningskraft, der skal til for at beregne adfærden af ​​systemer med mere end et par tusinde atomer i længere tid end et par nanosekunder, overstiger evnen til verdens største og hurtigste supercomputere.

Det antages almindeligvis, at overgangen af ​​tæt brint er førsteordens, som er ledsaget af bratte ændringer i alle fysiske egenskaber. Et almindeligt eksempel på en førsteordens faseovergang er kogende flydende vand:når først væsken bliver en damp, dens udseende og adfærd ændrer sig fuldstændig på trods af, at temperaturen og trykket forbliver det samme.

I den aktuelle teoretiske undersøgelse, Cheng og hendes kolleger brugte maskinlæring til at efterligne interaktionerne mellem brintatomer, for at overvinde begrænsninger af direkte kvantemekaniske beregninger.

"Vi nåede til en overraskende konklusion og fandt beviser for en kontinuerlig molekylær til atomær overgang i den tætte brintvæske, i stedet for en førsteordens, "sagde Cheng, som også er juniorforsker ved Trinity College.

Overgangen er glat, fordi det tilhørende 'kritiske punkt' er skjult. Kritiske punkter er allestedsnærværende i alle faseovergange mellem væsker:alle stoffer, der kan eksistere i to faser, har kritiske punkter. Et system med et blotlagt kritisk punkt, såsom den til damp og flydende vand, har klart adskilte faser. Imidlertid, den tætte brintvæske, med det skjulte kritiske punkt, kan transformere gradvist og kontinuerligt mellem den molekylære og atomare fase. Desuden, dette skjulte kritiske punkt fremkalder også andre usædvanlige fænomener, inklusive densitet og varmekapacitetsmaksima.

Fundet om den kontinuerlige overgang giver en ny måde at fortolke den modstridende mængde eksperimenter på tæt brint. Det indebærer også en glidende overgang mellem isolerende og metalliske lag i gigantiske gasplaneter. Studiet ville ikke være muligt uden at kombinere maskinlæring, kvantemekanik, og statistisk mekanik. Uden tvivl, denne tilgang vil afsløre mere fysisk indsigt om brintsystemer i fremtiden. Som næste skridt, forskerne sigter mod at besvare de mange åbne spørgsmål om fastfasediagrammet for tæt brint.