Según las predicciones de la física de la materia condensada, a una presión suficientemente alta, el hidrógeno debería disociarse y transformarse en un metal atómico. Sin embargo, aún no se ha determinado el rango de presión exacto en el que esto ocurre, y el proceso a través del cual el hidrógeno se convierte en un metal aún no está claro.

En un estudio reciente, Los investigadores del Instituto de Química Max Planck demostraron que a una presión de 350-360 GPa y a temperaturas por debajo de 200K, el hidrógeno molecular comienza a conducir y se vuelve semimetálico. Su papel publicado en Física de la naturaleza , proporciona información nueva e interesante sobre la transición del hidrógeno a altas presiones, desvelando algunas de las propiedades que adquiere.

"Típicamente, El hidrógeno metálico se considera hidrógeno atómico, un cristal construido a partir de protones después de la disociación de las moléculas. "Mikhail Eremets, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo Phys.org. "Sin embargo, el hidrógeno también puede transformarse en un metal en estado molecular; en este caso, Las bandas electrónicas de cristales de hidrógeno molecular se ensanchan y eventualmente se superponen de modo que la banda prohibida se cierra, Aparecen electrones libres y huecos; este es un estado metálico ".

El estado inicial en el que las bandas electrónicas de los cristales de hidrógeno molecular se superponen se conoce como semimetal. En este estado, el metal tiene poca conductividad, ya que el número de portadores es bajo. Si la presión aumenta aún más, sin embargo, este metal de mala conducción se convierte en un metal normal y finalmente en hidrógeno atómico.

"Nuestro objetivo era encontrar la presión a la que aparece la conductividad eléctrica metálica, y si esto da como resultado un metal molecular o atómico, ", Dijo Eremets." Por lo tanto, realizamos mediciones eléctricas, ya que este es el único método que nos dice directamente si el hidrógeno conduce y si es un metal. Un metal normalmente conduce a las temperaturas más bajas; un semiconductor también puede conducir, pero a temperaturas más bajas, la conductividad disminuye y desaparece exponencialmente ".

En sus experimentos, los investigadores recopilaron medidas Raman de hasta 480 GPa para identificar los cambios que tienen lugar en el hidrógeno a diferentes presiones. Descubrieron que el hidrógeno comenzó a conducir a presiones superiores a 360 GPa, pero se mantuvo un semimetal hasta 440 GPa.

Para recopilar medidas Raman, los investigadores utilizaron pequeños DAC con diamantes sintéticos. Estos diamantes tienen una luminiscencia extremadamente baja incluso a presiones de ~ 500 GPa. Para mediciones eléctricas, por otra parte, utilizaron cuatro cables eléctricos chisporroteados sobre yunques de diamante, que fueron aislados de la junta metálica por una capa aislante.

En general, las mediciones que recolectaron mostraron que el hidrógeno semimetálico observado en sus experimentos está en estado molecular. Estos hallazgos confirman así su hipótesis de que el hidrógeno se convierte en un metal en su estado molecular.

"Por encima de 360 ​​GPa, conductividad eléctrica fuertemente aumentada con la presión, "Explicó Eremets." La conductividad no disminuyó exponencialmente con el enfriamiento, lo que indica que el hidrógeno no es un semiconductor. Por otra parte, no es un buen metal, ya que la conductividad solo aumenta ligeramente con el enfriamiento. Este comportamiento es típico de los semimetales como el bismuto o de los semimetales inducidos por la presión como el oxígeno o el xenón ".

En general, las mediciones recopiladas por Eremets y sus colegas proporcionan evidencia de que el hidrógeno semimetálico permanece en el estado molecular al menos hasta una presión de 440 GPa. Cuando la presión sube por encima de 440GPa, sin embargo, la señal Raman emitida por el hidrógeno desaparece, lo que sugiere que se está produciendo una transformación adicional.

"Lograr las presiones requeridas por encima de 350 GPa es una tarea difícil, ", Dijo Eremets." Depende de una serie de factores, primero, de la geometría de los yunques. Realizamos muchos intentos para alcanzar las presiones multimegabar. Sin embargo, obtuvimos datos reproducibles ".

El estudio reciente realizado por Eremets y sus colegas demuestra claramente que por encima de ~ 360 GPa, el hidrógeno se convierte en un semimetal en su estado molecular. Sin embargo, esta sustancia semimetálica presenta un comportamiento inusual, que no está alineado con las predicciones teóricas comunes de que el hidrógeno metálico está en un estado atómico. De lo contrario, los investigadores observaron que el hidrógeno se transforma en una sustancia semimetálica en su estado molecular.

"Nuestros hallazgos deberían estimular más trabajos teóricos y experimentales sobre la comprensión de la compleja transformación del hidrógeno en metal, ", Dijo Eremets." Ahora estamos planeando extender nuestras mediciones eléctricas a presiones más altas y encontrar superconductividad en el hidrógeno metálico ".

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