Convierten el hidrógeno en metal en un yunque de diamantes, después de 80 años

Comparte esta historia:

Unos cuantos colegas fueron invitados a pasarse el pasado mes de octubre por el laboratorio de Isaac Silvera, físico en la Universidad de Harvard, en Estados Unidos, para vislumbrar algo que tal vez no existiera en ningún otro lugar del universo. Se extendió la palabra, y la mañana siguiente había una cola esperando. A lo largo del día, cientos de personas pasaron a mirar a través de un microscopio de sobremesa hacia un punto plateado-rojizo atrapado entre dos puntas de diamante. Silvera finalmente cerró el laboratorio a las 6 de la tarde para irse a casa. “La emoción tardó semanas en menguar”, dice Silvera.

Esa excitación se produjo porque al someter al hidrógeno a presiones mucho más altas de las del centro de la Tierra, Silvera y su estudiante de doctorado Ranga Dias habían observado un indicio de que podía haberse transformado en un metal sólido, capaz de conducir electricidad. “Si es cierto, sería fantástico”, dice Reinhard Boehler, físico de la Carnegie Institution for Science en Washington, DC, EE.UU. “Esto es algo que nosotros como comunidad hemos estado esperando ver desde hace décadas”. [Puedes leer más acerca del hidrógeno metálico en nuestra historia “Un nuevo estudio muestra lo cerca que estamos de conseguir hidrógeno metálico“.]

La hazaña, informó la revista Science, es más que una rareza. Se piensa que el hidrógeno metálico sólido es un superconductor, capaz de conducir electricidad sin resistencia. Incluso puede ser metaestable, lo que significa que al igual que el diamante, también formado a altas presiones, el hidrógeno metálico mantendría su estado, e incluso su superconductividad, una vez devuelto a temperatura y presión ambientales.

(Imagen ampliable) Estados del hidrógeno. Eje-x: Presión en millones de atmósferas. Eje-y: temperatura en kelvins. (El hidrógeno es un gas a baja presión, en una región demasiado pequeña como para ser perceptible en la esquina inferior izquierda de este diagrama). Imagen: (Gráfica) K. Sutliff/Science; (Datos) Ranga Dias e Isaac Silvera, Universidad de Harvard

Sin embargo, en el pasado ya ha habido afirmaciones del logro de hidrógeno metálico sólido, y algunos expertos quieren más pruebas. “Desde nuestro punto de vista no es convincente”, dice Mikhail Eremets, que también está buscando hidrógeno metálico sólido en el Instituto Max Planck de Química en Mainz, Alemania. Otros en la disputada área se muestran francamente hostiles al resultado. “La palabra basura no llega realmente a describirlo “, dice Eugene Gregoryanz, un físico de alta presión de la Universidad de Edimburgo, en el Reino Unido, que se opone a varios de los procedimientos del experimento.

La disputa surge porque los experimentos con hidrógeno de alta presión son difíciles de llevar a cabo, e incluso más difíciles de interpretar. En primer lugar, los científicos colocan una delgada junta de metal entre dos diamantes de punta plana. La junta mantiene el hidrógeno en su lugar entre las puntas conforme los diamantes son comprimidos el uno contra el otro. La intensa presión puede forzar al hidrógeno a colarse por entre los defectos de la superficie de los diamantes, haciendo que se vuelvan frágiles y se agrieten. Así que con el tiempo los investigadores han aprendido a aplicar recubrimientos protectores transparentes a sus diamantes. Pero el material adicional hace que sea difícil interpretar las mediciones con láser de lo que está sucediendo en el centro. Además, a presiones mayores de unos 400 gigapascales (GPa) (alrededor de 4 millones de veces la presión atmosférica) el hidrógeno se vuelve negro, impidiendo la entrada de la luz láser.

Los científicos ya han creado el hidrógeno metálico líquido (la sustancia que se cree que forma el interior de los planetas gigantes como Júpiter) aumentando la presión a temperaturas más altas. [Y esta mísma técnica se está utilizando para comprender la formación del campo magnético de la Tierra, sobre lo que puedes leer más aquí.] Silvera quería trabajar a bajas temperaturas y transformar el hidrógeno en algo aún más exótico: metal sólido. A temperaturas criogénicas, el hidrógeno es un líquido. A medida que aumenta la presión, el líquido se convierte rápidamente en un sólido no metálico (como puedes ver en el diagrama). En 1935, los físicos de la Universidad de Princeton, en EE. UU., Eugene Wigner y Hillard Bell Huntington predijeron que más allá de 25 GPa, el hidrógeno sólido no conductor se volvería metálico. Pero los experimentadores pasaron ese umbral hace décadas sin ningún signo de metal sólido.

Silvera y Dias afirman que han logrado llevar su célula a un reino inexplorado de bajas temperaturas y presiones extremas, logrado en parte por haber evitado el monitoreo continuo con láser de alta intensidad que, según explican, también puede hacer que los diamantes de un yunque se fracturen. Eventualmente, cuando se acercaron a los 500 GPa, la muestra negra se volvió brillante y rojiza. Un láser de infrarrojos de baja intensidad (de un tipo que no causaría estrés en los diamantes) reveló un fuerte aumento en la reflectancia de la muestra, tal y como se espera de un metal. Fue sólo en ese momento cuando la pareja de Harvard utilizó un láser diferente, en un procedimiento llamado espectroscopía Raman, para verificar la presión máxima en la célula de diamante.

(Imagen ampliable) Transición del hidrógeno. Desde la izquierda: Hidrógeno transparente aislante; hidrógeno negro semiconductor; hidrógeno metálico atómico. Imagen: R. Dias e I.F. Silvera

Silvera y Dias admiten que su mancha plateado-rojiza podría ser un líquido en lugar de un sólido, y no se han atrevido a liberarla de su “tornillo de banco” con puntas de diamante. Pero confían en que es un metal; una afirmación “muy convincente”, dice Neil Ashcroft, físico de la Universidad de Cornell, en EE. UU., que predijo el estado superconductor del hidrógeno hace casi 50 años.

Eremets y otros dicen que necesitan más pruebas de que el equipo haya creado un metal sólido o incluso un metal en absoluto. “Sólo vemos un experimento. Debería ser reproducido”, dice Eremets. También se pregunta si el equipo realmente alcanzó los 495 GPa que aseguran, ya que normalmente la presión se determina a través de la monitorización continua del láser Raman. Excepto por la medida Raman final de 495 GPa, Silvera y Dias se vieron obligados a estimar las presiones a partir del número de vueltas de los tornillos en sus yunques. Raymond Jeanloz, un físico de alta presión de la Universidad de California en Berkeley, EE. UU., también quiere asegurarse de que la mota atrapada sea hidrógeno puro, ya que la junta o la capa de diamante podrían haberse descompuesto y reaccionado a altas presiones. “Ya ha engañado a gente en el pasado”, dice.

Pero Silvera se mantiene firme. Una comparación de mediciones de reflectancia desde el centro del punto de hidrógeno y la junta circundante a 495 GPa sugiere que el hidrógeno en la muestra es puro, dice. En cuanto a la medición de la presión, Silvera insiste en que él y Dias lo han estudiado detenidamente y han verificado su calibración.

Silvera dice que sólo tienen un experimento para reportar porque querían anunciar su resultado antes de ejecutar pruebas adicionales que podrían romper los diamantes de su tornillo. Pronto, dice, planean llevar a cabo pruebas de láser Raman adicionales que deberían revelar si la muestra posee la estructura atómica normal esperada de un metal sólido. Eventualmente, aflojarán el tornillo y comprobarán si el metal es metaestable.

Entonces, comenzarán el experimento otra vez. Reivindicar la victoria total en las “guerras del hidrógeno”, como Jeanloz las llama, requerirá otra ronda o dos de evidencia.

Artículo original publicado por la revista Science. Revisado y traducido por ¡QFC!

Deja tu comentario

Comparte esta historia:
2017-01-29T21:14:16+00:00