Nuevos experimentos generan otra prueba de la existencia del hidrógeno metálico

La búsqueda de una vía para hacer hidrógeno metálico ha sido larga y ardua. La victoria ha sido declarada varias veces, y algunas veces retractada. Los científicos predijeron el estado metálico del hidrógeno (que podría ser útil como superconductor, combustible para cohetes y más) hace casi 85 años, pero no fue hasta la década del 2010 cuando los grupos de investigación anunciaron resultados que parecían conducir a los científicos hasta el material buscado durante tanto tiempo. En las primeras semanas de esta nueva década, otro equipo informó que habían creado una forma metálica de hidrógeno utilizando un nuevo diseño experimental (Nature 2020, DOI: 10.1038/s41586-019-1927-3).

Al igual que otros elementos, el hidrógeno debería convertirse en metal bajo altas presiones, cuando sus electrones se deslocalizan y se mueven libremente a través de una matriz de protones. Pero alcanzar casi 5 millones de veces la presión ambiental ha dificultado los intentos experimentales. Los investigadores han tenido éxito usando yunques de diamantes, hechos de diamantes sintéticos cuidadosamente producidos con puntas aplanadas entre las cuales se meten a presión pequeñas cantidades de hidrógeno.

En este nuevo estudio, Paul Loubeyre, de la Comisión Francesa de Energías Alternativas y Energía Atómica, y sus compañeros utilizaron un yunque con un nuevo tipo de superficie de compresión (una depresión en forma de anillo tallada con un haz de iones) y midieron los cambios en la absorción infrarroja de su muestra de hidrógeno. Por encima de 400 GPa, el grupo de Loubeyre midió los espectros infrarrojos que indicaban que la muestra de hidrógeno se había vuelto metálica, lo que coincide con las predicciones teóricas.

El equipo de investigación y otros científicos están de acuerdo en que los resultados son más consistentes con un estado metálico de moléculas de hidrógeno diatómico, en lugar de un metal de átomos de hidrógeno, que es el estado con las propiedades más buscadas. Para mostrar que las mediciones no fueron el resultado de la deformación del yunque del diamante, un problema existente en algunos estudios anteriores, los investigadores reportaron datos que sugieren que los cambios también se revierten a medida que disminuye la presión.

La investigación ha recibido elogios contenidos por parte de expertos en la materia, muchos de los cuales podrían describirse como competidores o colaboradores (o incluso ambos) del grupo de Loubeyre en la carrera por producir hidrógeno metálico. Varios señalan que, si bien estas mediciones ópticas son coherentes con una transición a estado metálico, aún podría haber otras explicaciones, incluyendo otro estado del hidrógeno, algún cambio en la estructura del diamante o una interacción entre el hidrógeno y el yunque. Otros grupos también han reportado resultados ópticos similares. El grupo de Loubeyre parece haber alcanzado una presión más alta que en esos estudios, aunque las diferencias en cómo se mide la presión en estos experimentos dificultan una determinación clara.

Mikhail Eremets, del Instituto Max Planck de Química, apunta que medir la conductividad de la muestra podría ser una forma más definitiva de determinar si un grupo finalmente produjo hidrógeno metálico. La medición de la conductividad determinaría si la muestra permaneció siendo conductora hasta el cero absoluto (una definición de un metal) o si era superconductora, lo cual es el fin principal del hidrógeno metálico. Eremets ha realizado experimentos de conductividad con hidrógeno presurizado, pero es difícil incorporar cables eléctricos en los experimentos usando un yunque de diamante, y las mediciones de conductividad son invasivas porque la corriente eléctrica puede afectar a las propiedades de la muestra.

En un futuro vendrán más intentos de conseguir hidrógeno metálico. Loubeyre dice que su grupo intentará presiones más altas con su configuración. Pero Russell Hemley, de la Universidad de Illinois en Chicago, señala que si bien el hidrógeno metálico sigue siendo un objetivo de investigación interesante, los químicos ya han conseguido materiales como el hidruro de lantano que exhiben algunas de las propiedades que promete el hidrógeno metálico, como la superconductividad a temperatura ambiente (Phys. Rev. Lett. 2019, DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.027001).

Traducido al español por Marta Isabel Gutiérrez para C&EN. La versión original (en Inglés) de este artículo está disponible aquí.