Hidrógeno metálico: realidad o ficción

En el mundo de las altas presiones hay un objetivo que se ha perseguido durante mucho tiempo: la metalización del hidrógeno. En este campo, la fase metálica de este material ha sido considerada como el santo grial. Los grupos más poderosos dedican enconados esfuerzos por alcanzarlo, rozándolo con los dedos en algunas ocasiones y fracasando estrepitosamente en otras. Los grupos de Gregoryanz en Escocia, Eremets en Alemania, Loubeyre en Francia o Silvera y Hemley en Estados Unidos llevan muchísimos años sometiendo al hidrógeno a presiones brutales para detectar una pista que indique que el hidrógeno es metálico. También su búsqueda ha abierto nuevos caminos que hasta ahora nadie se había planteado, como por ejemplo el estudio de polihidruros y sus propiedades superconductoras. Pero vamos a empezar desde el principio.

Figura tomada de chemistryworld.com

Todo comenzó en 1935, cuando Wigner y Huntington¹ analizando los efectos de las altas presiones en el hidrógeno predijeron la posible metalización de este en forma de sólido monoatómico tipo alcalino-metálico. Desde entonces la metalización de este elemento ha sido considerada como una de las fronteras de la ciencia con implicaciones en multitud de campos diversos. En astrofísica, el descubrimiento de hidrógeno metálico podría permitir reproducir las condiciones de los núcleos de muchos planetas como Júpiter o Saturno, y las características especiales observadas en planetas extrasolares descubiertos recientemente. Por otro lado, la producción de hidrógeno metálico podría revolucionar los viajes espaciales, algo que ya ha sido discutido en una más que interesante entrada realizada por Daniel Marín (aquí), debido a que este material es 12 veces más denso que el hidrógeno gas y puede liberar 20 veces su energía al quemarse con oxígeno, produciendo solo agua como residuo de la combustión. Si esto no fuese suficiente, Ashcroft² en 1968 predijo el comportamiento superconductor del hidrógeno metálico a altas temperaturas. El hidrógeno metálico al tener una masa atómica pequeña se postula para tener un acoplamiento electrón-fonón muy fuerte y una gran densidad de estados en el nivel de Fermi. Todas estas características hacen que el hidrógeno metálico sea un estupendo candidato para exhibir propiedades superconductoras según la teoría de Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS).

Los primeros trabajos experimentales en los años 70 vinieron lastrados por la incapacidad técnica de alcanzar presiones más allá del Megabar (100 GPa o lo que es lo mismo 1 millón de veces la presión atmosférica) en régimen estático. De los primeros científicos en darse cuenta de la importancia de esta fase metálica del hidrógeno hay que destacar el esfuerzo del Prof. Ashcroft; también vieron la luz los primeros trabajos del Prof. Silvera.

En los últimos años, con la mejora de las celdas de yunques de diamante que permiten el acceso a presiones cada vez más altas, esta lucha se ha recrudecido. Los enfrentamientos entre algunos de los jefes de los principales grupos de investigación han sido evidentes en todos los congresos en los que coincidían y han rozado en algún caso el mal gusto. Aún se puede sentir esa animadversión en los comentarios que se han hecho públicamente al trabajo de Dias y Silvera. Volviendo al apartado técnico, no solo es necesario que se pueda aplicar suficiente fuerza a los diamantes sino que estos resistan esos gradientes de presión. Actualmente, se realizan tratamientos en los diamantes para que no tengan el más mínimo defecto y se puedan alcanzar los 4-5 megabares sin necesidad de una segunda etapa, aunque no sin problemas. El hecho de alcanzar una presión tan alta conlleva unos problemas asociados, más si cabe en el estudio del hidrógeno. El hidrógeno, al ser tan pequeño, se difunde a través de los diamantes a altas presiones y se cuela entre los enlaces de carbono volviéndolos extraordinariamente débiles; cuando el hidrógeno se mete dentro del diamante, se crean unas diferencias de presión en su interior que producen su rotura.

¿Cómo resolvieron Dias y Silvera³ este problema en su trabajo reciente? Primero usaron diamantes sintéticos con menos propensión a tener defectos que los naturales, y además fueron pulidos para evitar las típicas impurezas de las zonas superficiales. Para evitar la difusión del hidrógeno, se depositó una capa de alúmina sobre la culata del diamante y los mantuvieron siempre a temperaturas por debajo de los 80 kelvin. Fueron alineados perfectamente uno frente a otro y no se expusieron a ningún láser hasta la hora de la medida.

Respecto a la identificación de la fase metálica, se hizo con una técnica simple que es el objeto de muchas de las críticas de las que ha sido objeto el trabajo, y es la reflectividad óptica de un láser sobre la muestra. Los autores observan que la reflectancia a una presión de 495 GPa es de 0.91, un valor muy cercano a la reflectancia obtenida en un metal. El espectro de la reflectrividad en función de la longitud de onda permitió mediante el modelo de Drude estimar el número de portadores de la muestra a través de la medida de la frecuencia de plasma. La concentración de electrones por unidad de volumen resultó ser tan elevado como se espera de un metal (mas de 10²³ cm^-3). Hay que destacar que todas estas medidas fueron realizadas a baja temperatura (5.5 Kelvin).

Figura tomada de la referencia 3

¿Qué peros se pueden poner a este trabajo que parece reclamar el descubrimiento definitivo de la fase metálica del hidrógeno? En primer lugar, tanto Eremets como Gregoryanz se quejan del método utilizado para calcular la presión a la que está el hidrógeno. Cierto es que normalmente la presión a estos niveles se calcula gracias al pico Raman del propio diamante; sin embargo, en este trabajo esto no se mide en todo el experimento hasta la última medida, la que proclama la fase metálica del hidrógeno. Durante el proceso intermedio, Silvera usa un sistema al menos cuestionable, como es apretar unos tornillos y suponer que la presión en la muestra es la misma que la de otros experimentos realizados anteriormente con la misma celda pero con distintos diamantes.

Figura tomada de la referencia 3

Otro pero es la falta de medidas de sus propiedades eléctricas. Su medición sería definitiva para poder concluir que lo que hay entre los dos diamantes es sin duda alguna una fase metálica pero aún más, no se sabe si es sólido ni si cristaliza en la misma fase predicha por los cálculos teóricos. No debería ser muy difícil que cualquier sincrotrón del mundo se ofreciese voluntario para hacer una rápida medición de difracción de rayos X, ya que la muestra sigue confinada en la celda de diamante para exposición pública en el laboratorio de Silvera en la Universidad de Harvard. Por último, se echa en falta la repetitividad del experimento; se sabe que se está en la frontera de la ciencia y la técnica, por lo que hay que intentar repetir al menos una vez el experimento para asegurarse que las condiciones son reproducibles y no estamos ante un resultado espurio.

En definitiva, ¿se ha encontrado la fase metálica del hidrógeno? Parece que sí y es el trabajo más completo acerca de esta búsqueda que se ha publicado hasta ahora. ¿Este trabajo es absolutamente definitivo? No, y además estoy seguro que otros grupos trabajarán arduamente para refutarlo. Señores y señoras, preparen las palomitas porque esto no ha acabo aquí. Se lo aseguro, empieza la guerra.

Texto escrito por Juan Ángel Sans (@tresse77).

¹ E. Wigner and H. B. Huntington. “On the Possibility of a Metallic Modification of Hydrogen” J. Chem. Phys. 3, 764 (1935); http://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.1749590

² N. W.Ashcroft. “Metallic Hydrogen: A High-Temperature Superconductor?” Phys. Rev. Lett. 21, 1748 (1968): http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.21.1748

³ R. P. Dias and I. F. Silvera. “Observation of the Wigner-Huntington transition to metallic hydrogen” 10.1126/science.aal1579 (2017);