A low-symmetry ground state of dense two-dimensional hydrogen
Questo studio rivela che l'idrogeno bidimensionale denso potrebbe possedere uno stato fondamentale disordinato con un'entalpia inferiore rispetto ai candidati cristallini in un intervallo di pressione intermedio, sfidando l'assunzione di un ordine cristallino a lungo raggio in questo sistema.
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L'idrogeno è l'elemento più semplice dell'universo, un singolo protone orbitato da un singolo elettrone. Eppure, quando gli scienziati comprimono questo gas in uno spazio minuscolo, esso si trasforma in uno dei rompicapi più difficili della fisica. Sotto una pressione immensa, le molecole di idrogeno si rompono, gli atomi perdono le loro identità individuali e il materiale inizia a condurre elettricità come un metallo. Per decenni, i ricercatori hanno cercato di mappare esattamente come ciò accada in tre dimensioni, il mondo in cui viviamo. Hanno dibattuto se gli atomi si dispongano in schemi cristallini regolari e ripetitivi o se si sciolgano in uno stato caotico, simile a un liquido, anche alle temperature più fredde. La risposta è importante perché comprendere questa transizione aiuta a spiegare come sono costruiti i pianeti giganti come Giove e potrebbe persino guidare la ricerca di materiali che conducono elettricità senza resistenza. Ma mentre la versione tridimensionale è stata studiata per quasi un secolo, una versione più semplice del problema — cosa succede quando l'idrogeno viene compresso in un foglio piatto, bidimensionale — è rimasta in gran parte inesplorata.
Un team di ricercatori ha ora rivolto la sua attenzione a questo idrogeno piatto e bidimensionale. Non hanno utilizzato un campione fisico, il che sarebbe impossibile da sostenere in un foglio piatto senza una superficie di supporto, ma hanno invece utilizzato potenti simulazioni al computer per costruire e testare migliaia di diversi arrangiamenti di atomi di idrogeno. Il loro obiettivo era trovare il modo più stabile in cui questi atomi potessero stare insieme sotto alta pressione. Nel mondo della fisica, lo stato "più stabile" è quello che richiede la minore quantità di energia per essere mantenuto, una condizione che gli scienziati chiamano stato fondamentale. Hanno iniziato testando molte idee diverse, inclusi reticoli cristallini perfetti dove ogni atomo ha un vicino specifico e ripetitivo, e pile disordinate e disordinate di atomi. Hanno eseguito queste simulazioni con fino a 512 atomi alla volta, un numero sufficientemente grande per vedere se il materiale desidera naturalmente formare un cristallo o se preferisce rimanere disordinato.
I risultati sono stati sorprendenti. Nell'intervallo intermedio di pressioni, tra il punto in cui le molecole di idrogeno si rompono e il punto in cui formano un semplice cristallo atomico, le simulazioni al computer hanno mostrato che lo stato più stabile non era affatto un cristallo. Inveve, gli atomi si sono assestati in un arrangiamento disordinato e confuso che non mostrava alcun modello ripetitivo a lungo raggio. Ciò è accaduto anche quando i ricercatori hanno trattato i nuclei atomici come semplici particelle classiche, ignorando gli strani effetti quantistici che di solito fanno comportare le particelle minuscole come onde. Lo stato disordinato era così stabile che aveva un'energia inferiore rispetto a qualsiasi struttura cristallina perfetta testata dal team. Ciò suggerisce che, in un mondo piatto e bidimensionale, l'idrogeno intraprende un percorso diverso per diventare un metallo rispetto al nostro mondo tridimensionale, saltando le fasi cristalline ordinate per assestarsi prima in uno stato disordinato e stabile.
I ricercatori sono stati attenti a garantire che questo non fosse un artefatto dei loro modelli informatici. Hanno testato il sistema con gruppi più piccoli di atomi e hanno scoperto che lo stato disordinato appariva solo quando utilizzavano gruppi più grandi, specificamente quelli con più di circa 70 atomi. Ciò ha confermato che il risultato era una proprietà reale del materiale e non un artefatto della dimensione della simulazione. Hanno anche osservato come fossero disposti gli atomi misurando la forza dei modelli nella struttura. In un cristallo perfetto, questi modelli crescono di intensità man mano che si aggiungono atomi, ma nell'idrogeno disordinato, i modelli crescevano molto lentamente, confermando che gli atomi non si allineavano in un ordine a lungo raggio. Anche quando il team ha aggiunto gli effetti della meccanica quantistica, che fanno vibrare e sussultare gli atomi, lo stato disordinato è rimasto il più stabile, diventando ancora più favorito.
Questa scoperta sfida il presupposto di lunga data secondo cui la materia sotto pressione debba inevitabilmente formare un cristallo. Sebbene i ricercatori riconoscano che non possono escludere l'esistenza di un cristallo con un modello così grande e complesso da essere sfuggito alle loro simulazioni, le prove indicano fortemente uno stato fondamentale disordinato per questa specifica forma piatta di idrogeno. Il ritrovamento suggerisce che limitare un materiale a due dimensioni può cambiare fondamentalmente il modo in cui si comporta, sopprimendo la naturale tendenza a cristallizzare. Apre una nuova porta per comprendere come il confinamento influenzi la materia, mostrando che, appiattendo l'idrogeno, gli scienziati possono creare una fase disordinata stabile che non esiste nel mondo tridimensionale. Questo lavoro non risolve il mistero dell'idrogeno ad alta pressione nel nostro mondo, ma fornisce un esempio chiaro e concreto di come cambiare la forma di un sistema possa riscrivere le regole di come esso si organizza.
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