L'hydrogène métallique dense - une phase d'hydrogène qui se comporte comme un conducteur électrique - constitue l'intérieur des planètes géantes, mais il est difficile à étudier et mal compris. En combinant intelligence artificielle et mécanique quantique, des chercheurs ont découvert comment l'hydrogène devient un métal dans les conditions de pression extrêmes de ces planètes.

Les chercheurs, de l'Université de Cambridge, IBM Recherche et EPFL, utilisé l'apprentissage automatique pour imiter les interactions entre les atomes d'hydrogène afin de surmonter les limitations de taille et d'échelle de temps des supercalculateurs les plus puissants. Ils ont découvert qu'au lieu de se produire soudainement, ou de premier ordre, transition, l'hydrogène change d'une manière douce et progressive. Les résultats sont publiés dans le journal La nature .

Hydrogène, constitué d'un proton et d'un électron, est à la fois l'élément le plus simple et le plus abondant de l'Univers. C'est la composante dominante de l'intérieur des planètes géantes de notre système solaire - Jupiter, Saturne, Uranus, et Neptune, ainsi que des exoplanètes en orbite autour d'autres étoiles.

A la surface des planètes géantes, l'hydrogène reste un gaz moléculaire. Cependant, en pénétrant plus profondément à l'intérieur des planètes géantes, la pression dépasse des millions d'atmosphères standard. Sous cette compression extrême, l'hydrogène subit une transition de phase :les liaisons covalentes à l'intérieur des molécules d'hydrogène se rompent, et le gaz devient un métal conducteur d'électricité.

"L'existence de l'hydrogène métallique a été théorisée il y a un siècle, mais ce que nous ne savons pas, c'est comment ce processus se produit, en raison des difficultés à recréer les conditions extrêmes de pression de l'intérieur d'une planète géante en laboratoire, et les énormes complexités de la prédiction du comportement des grands systèmes d'hydrogène, ", a déclaré l'auteur principal, le Dr Bingqing Cheng du laboratoire Cavendish de Cambridge.

Les expérimentateurs ont tenté d'étudier l'hydrogène dense à l'aide d'une cellule à enclume de diamant, dans lequel deux diamants appliquent une pression élevée à un échantillon confiné. Bien que le diamant soit la substance la plus dure sur Terre, l'appareil tombera en panne sous une pression extrême et des températures élevées, surtout au contact de l'hydrogène, contrairement à l'affirmation selon laquelle un diamant est éternel. Cela rend les expériences à la fois difficiles et coûteuses.

Les études théoriques sont également difficiles :bien que le mouvement des atomes d'hydrogène puisse être résolu à l'aide d'équations basées sur la mécanique quantique, la puissance de calcul nécessaire pour calculer le comportement de systèmes comportant plus de quelques milliers d'atomes pendant plus de quelques nanosecondes dépasse la capacité des supercalculateurs les plus grands et les plus rapides du monde.

Il est communément admis que la transition de l'hydrogène dense est du premier ordre, qui s'accompagne de changements brusques dans toutes les propriétés physiques. Un exemple courant de transition de phase du premier ordre est l'ébullition de l'eau liquide :une fois que le liquide devient une vapeur, son apparence et son comportement changent complètement malgré le fait que la température et la pression restent les mêmes.

Dans l'étude théorique actuelle, Cheng et ses collègues ont utilisé l'apprentissage automatique pour imiter les interactions entre les atomes d'hydrogène, afin de surmonter les limitations des calculs de mécanique quantique directe.

"Nous sommes arrivés à une conclusion surprenante et avons trouvé des preuves d'une transition moléculaire continue vers l'atome dans le fluide d'hydrogène dense, au lieu d'un premier ordre, " dit Cheng, qui est également chercheur junior au Trinity College.

La transition est fluide car le « point critique » associé est masqué. Les points critiques sont omniprésents dans toutes les transitions de phase entre les fluides :toutes les substances qui peuvent exister en deux phases ont des points critiques. Un système avec un point critique exposé, comme celui pour la vapeur et l'eau liquide, comporte des phases clairement distinctes. Cependant, le fluide hydrogène dense, avec le point critique caché, peut se transformer progressivement et en continu entre les phases moléculaire et atomique. Par ailleurs, ce point critique caché induit également d'autres phénomènes inhabituels, y compris les maxima de densité et de capacité calorifique.

La découverte de la transition continue fournit une nouvelle façon d'interpréter le corps contradictoire d'expériences sur l'hydrogène dense. Cela implique également une transition en douceur entre les couches isolantes et métalliques dans les planètes gazeuses géantes. L'étude ne serait pas possible sans combiner l'apprentissage automatique, mécanique quantique, et la mécanique statistique. Sans aucun doute, cette approche permettra de découvrir plus d'informations physiques sur les systèmes à hydrogène à l'avenir. Comme prochaine étape, les chercheurs visent à répondre aux nombreuses questions ouvertes concernant le diagramme en phase solide de l'hydrogène dense.