Superatomic hydrogen: achieving effective aggregation of hydrogen atoms at pressures lower than that of metallic hydrogen

El hidrógeno es el elemento más común en el universo, sin embargo, bajo las condiciones que experimentamos cada día, existe como un gas compuesto por pares de átomos que flotan libremente. Durante casi un siglo, los científicos se han preguntado qué sucede cuando este gas es comprimido con una fuerza inmensa. La teoría sugiere que, si se aplica suficiente presión, los enlaces que mantienen unidos a los pares de hidrógeno se romperán, forzando a los átomos a un estado sólido donde sus electrones vagan libremente. Este estado, conocido como hidrógeno metálico, se comportaría como un metal y podría revolucionar potencialmente la producción de energía al facilitar la consecución de la fusión nuclear controlada. No obstante, crear este estado en un laboratorio ha resultado increíblemente difícil. La presión requerida para forzar el hidrógeno ordinario a esta forma metálica es tan extrema —cientos de veces mayor que la presión en el centro de la Tierra— que ha permanecido fuera de nuestro alcance durante décadas, a pesar de muchos intentos.

Un equipo de investigadores de la Universidad de Jilin ha propuesto un camino diferente hacia este esquivo estado, uno que no requiere apretar un bloque de hidrógeno hasta que se convierta en metal. En lugar de intentar comprimir una gran cantidad de hidrógeno de una sola vez, se centraron en una disposición diminuta y específica de solo trece átomos de hidrógeno. Imaginaron una estructura donde un átomo de hidrógeno se sitúa en el centro, rodeado por una capa de otros doce, formando una jaula. Utilizando potentes simulaciones por computadora para modelar cómo se comporta este diminuto cúmulo bajo presión, descubrieron que esta disposición específica puede alcanzar un estado de tipo metálico a presiones mucho menores de lo que se creía posible. El estudio sugiere que, al organizar los átomos de hidrógeno en estos pequeños y estables cúmulos, podría ser posible crear un material que comparta las propiedades electrónicas clave del hidrógeno metálico sin necesidad de las fuerzas aplastantes que han desconcertado a los científicos durante tanto tiempo.

Los investigadores comenzaron construyendo un modelo de este cúmulo de trece átomos, al que denominaron H13, y luego simularon el proceso de comprimirlo cada vez más. Observaron de cerca cómo reaccionarían los electrones, que normalmente permanecen cerca de sus propios átomos, ante la compresión. Al principio, cuando los átomos estaban alejados entre sí, los electrones permanecían localizados, aferrados a sus hogares individuales. Pero a medida que la distancia entre el átomo central y la capa circundante disminuía, ocurrió un cambio notable. El átomo de hidrógeno central comenzó a ceder su electrón, y ese electrón, junto con los de los átomos circundantes, se extendió para cubrir todo el cúmulo. Esto creó un estado en el que los electrones se movían libremente a través de toda la estructura, un comportamiento que define a un metal. Los investigadores descubrieron que esta transición ocurrió cuando el cúmulo fue comprimido a un radio de aproximadamente 1.9 ángstroms, una distancia tan pequeña que se mide en mil millonésimas de metro.

Lo que hace que este descubrimiento sea significativo es la cantidad de fuerza necesaria para desencadenar este cambio. Las simulaciones mostraron que la presión necesaria para empujar el cúmulo H13 hacia este nuevo estado deslocalizado era aproximadamente dos órdenes de magnitud inferior a la presión necesaria para crear el hidrógeno metálico tradicional. Mientras que crear hidrógeno metálico a partir de un material masivo podría requerir presiones que superen los 500 gigapascales, este cúmulo superatómico alcanzó un estado electrónico similar a presiones tan bajas como 6.2 gigapascales. Para poner esto en perspectiva, la presión requerida es comparable a la que se encuentra en las profundidades de la Tierra, en lugar de los extremos imposibles necesarios para el material masivo. Los investigadores confirmaron que este estado "superatómico" era estable y que los electrones estaban, de hecho, deslocalizados, lo que significa que se compartían a través de toda la molécula en lugar de pertenecer a un solo átomo. Este comportamiento refleja las propiedades del hidrógeno metálico, sugiriendo que el cúmulo actúa como un único átomo gigante con su propia estructura electrónica única.

El equipo también exploró si este efecto era exclusivo de la forma esférica perfecta de su modelo o si se mantendría bajo condiciones menos ideales. Probaron variaciones del cúmulo, incluyendo formas estiradas en elipsoides y cúmulos con solo doce átomos y sin centro. En cada caso, las simulaciones indicaron que estas estructuras aún podían alcanzar un estado superatómico a presiones significativamente menores que las requeridas para el hidrógeno metálico masivo. Aunque la presión exacta variaba ligeramente dependiendo de la forma y la simetría del cúmulo, la tendencia seguía siendo clara: organizar el hidrógeno en estos cúmulos específicos reduce la barrera de entrada para la creación de un estado de tipo metálico. Los investigadores señalaron que, si bien el cúmulo H13 con un átomo central requería la menor presión, las otras configuraciones también ofrecían una ruta prometedora que era mucho más accesible que los métodos actuales.

Este trabajo no pretende haber resuelto el problema de la creación de hidrógeno metálico para su uso inmediato en reactores de fusión. En su lugar, ofrece un nuevo marco teórico y una estrategia potencial para lograr las condiciones necesarias. El artículo destaca un obstio científico importante que persiste: cómo construir físicamente estas diminutas jaulas de hidrógeno y contenerlas en un experimento del mundo real. Las simulaciones muestran que la física funciona, pero el desafío ahora reside en la ingeniería de un sistema que pueda atrapar los átomos de hidrógeno en esta disposición específica y mantener la presión necesaria. Si los científicos logran encontrar una manera de construir estas jaulas, quizás utilizando otros materiales para mantener el hidrógeno en su lugar, esto podría abrir la puerta a estudiar las propiedades del hidrógeno metálico sin necesidad de las presiones más extremas del universo. El estudio sugiere que el camino para desentrañar los secretos del hidrógeno metálico podría no ser a través de la fuerza bruta, sino mediante la ingeniosa disposición de los átomos en cúmulos superatómicos estables.