thumb|alt=Diagrama que muestra las capas internas de Júpiter|Los gigantes gaseosos como Júpiter (en la imagen) y Saturno pueden contener grandes cantidades de hidrógeno metálico (en gris) y helio metálico.
El hidrógeno metálico es una clase de materia degenerada, una fase del hidrógeno que se alcanzaría cuando, estando lo suficientemente comprimido, se comportase como un conductor eléctrico. Esta fase fue predicha en 1935 por Eugene Wigner y Hillard Bell Huntington. Desde entonces, la obtención de hidrógeno metálico en el laboratorio se ha descrito como «el santo grial de la física de altas presiones».«the holy grail of high-pressure physics», Algunos investigadores proponen un límite inferior de presiones (alrededor de los 400 GPa, aunque este valor ha ido aumentando con el tiempo) en el que el hidrógeno metálico estaría en estado líquido, incluso a muy bajas temperaturas.Ashcroft N.W., (en inglés) J.Phys. A 12, A129-137 (2000).Bonev, S.A., Schwegler, E., Ogitsu, T., and Galli, G., (en inglés) A quantum fluid of metallic hydrogen suggested by first principles calculations. Nature 431, 669 (2004).
A altas presiones y temperaturas, el hidrógeno metálico podría existir como un líquido en lugar de un sólido, y los investigadores piensan que estaría presente en grandes cantidades gravitacionalmente comprimido en los interiores calientes de Júpiter, Saturno y en algunos planetas extrasolares.
En octubre de 2016 distintas afirmaciones aseguraban que el hidrógeno metálico se había observado en el laboratorio a una presión de alrededor de . Estos resultados llevaron en enero de 2017 a científicos de la Universidad de Harvard a informar de la primera síntesis de hidrógeno metálico en un laboratorio, utilizando para alcanzar las altas presiones una celda de yunque de diamante. Sin embargo, varios investigadores en este mismo campo dudaron de estos resultados. Algunas observaciones consistentes con el comportamiento metálico habían sido publicadas anteriormente, como la observación de nuevas fases de hidrógeno sólido bajo condiciones estáticas de presión, y, en el deuterio líquido denso, transiciones eléctricas aislante-conductor asociadas con un aumento de la reflectividad óptica.
El hidrógeno metálico sólido consistiría en una red cristalina de núcleos de hidrógeno (es decir, protones), con un espaciado interatómico que sería significativamente menor que el radio de Bohr (de hecho, compararía mejor con la longitud de onda de De Broglie de los electrones). Los electrones del hidrógeno metálico no estarían ligados a sus núcleos y se comportarían como los electrones de conducción en un metal. Al igual que el dihidrógeno H2 molecular, el hidrógeno metálico sería un alótropo. Historia
Predicciones teóricas Metalización del hidrógeno bajo presión thumb|Eugene Wigner (a la izquierda) y Alvin Weinberg. Aunque el hidrógeno está en la parte superior de la columna de los metales alcalinos en la tabla periódica, no muestra, en condiciones normales, las propiedades de un metal alcalino. En su lugar, forma moléculas H2 diatómicas, análogas a los halógenos y los no metales de la segunda fila de la tabla periódica, como el nitrógeno y el oxígeno. El hidrógeno diatómico es un gas que, a presión atmosférica, se licúa y solidifica sólo a temperaturas muy bajas (20 grados y 14 grados sobre el cero absoluto, respectivamente). En 1935, sin embargo, los físicos Eugene Wigner y Hillard Bell Huntington predijeron que sometido a una presión alta de ~25 GPa (250.000 bar), el hidrógeno mostraría propiedades metálicas: en lugar de moléculas de H2 discretas (que consisten en dos electrones enlazados entre dos protones), una fase sólida se formaría con una red cristalina de protones y con los electrones deslocalizados en ella. Desde entonces, la obtención de hidrógeno metálico en el laboratorio se ha descrito como «el santo grial de la física de altas presiones».
La predicción inicial sobre la presión necesaria se demostró más tarde que era demasiado baja. Después del primer trabajo de Huntington y Wigner, los cálculos teóricos más modernos apuntan hacia presiones de metalización mucho mayores, aunque potencialmente accesibles. Se desarrollan técnicas para lograr presiones de hasta 500 GPa, una presión superior a la presión existente en el centro de la Tierra, con la esperanza de lograr obtener hidrógeno metálico.
Hidrógeno líquido metálico A presión normal y a temperaturas cercanas al cero absoluto, el Helio-4 es helio líquido, una consecuencia de su alta energía del punto cero (en inglés, zero-point energy o ZPE). Del mismo modo, la ZPE de los protones en un estado denso también es alta, y se espera que, a altas presiones, la energía asociada al ordenamiento disminuya (en relación con la ZPE). Neil Ashcroft y otros han avanzado que existe un punto de fusión máximo del hidrógeno comprimido, y que también puede haber una gama de densidades (a presiones próximas a los 400 GPa) en que el hidrógeno puede ser un metal líquido, incluso a bajas temperaturas.
Superconductividad
En 1968, Neil Ashcroft sugirió que el hidrógeno metálico puede ser un superconductor a temperatura ambiente (~ 290 K), una temperatura muy superior a la de cualquier otro material candidato conocido. Esto se debería a la extremadamente alta velocidad del sonido a través de esta fase del hidrógeno y al fuerte acoplamiento esperado entre los electrones de conducción y las vibraciones de la red.
Posibilidad de nuevos tipos de fluido cuántico
Actualmente se conocen varios «super» estados de la materia, como los superconductores, los líquidos y gases superfluidos, y los supersólidos. Egor Babaev predijo que si el hidrógeno y el deuterio tenían estados metálicos líquidos, podrían tener estados ordenados en dominios cuánticos que no podrían ser clasificados como superconductor o superfluido en el sentido usual, sino que representarían dos tipos nuevos posibles de líquidos cuánticos: «superfluido superconductor» y «superfluido metálico». Se predice que no tendrían las respuestas habituales a campos magnéticos externos y rotaciones, lo que podría representar una ruta para la verificación experimental de esos posibles nuevos estados de la materia. También se ha sugerido que bajo la influencia de campos magnético, el hidrógeno puede mostrar transiciones de fase desde la superconductividad a la superfluidez y viceversa.
Dopaje con litio y otros metales
En 2009, Zurek et al. predijeron que la aleación LiH6 podría ser un metal estable a solo 1/4 de la presión necesaria para metalizar el hidrógeno, y que efectos similares podrían esperarse de las aleaciones de tipo LiHn y, posiblemente, de otras aleaciones del tipo XHn con X un metal alcalino, un lantánido o un actínido.
Búsqueda experimental Compresión por ondas de choque
En marzo de 1996, Bruno Giuliani y un grupo de científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore informó de que de forma no intencional habían producido, durante un microsegundo y a temperaturas de miles de kelvins y presiones de más de un millón de atmósferas (> 100 GPa), y densidades de aproximadamente 0.6 g/cm³. el primer hidrógeno metálico identificable. El equipo no esperaba producir hidrógeno metálico, ya que no estaban utilizando hidrógeno sólido, que se creía necesario, y estaban trabajando a temperaturas superiores a las especificados por la teoría de la metalización. Varios estudios anteriores en que el hidrógeno sólido había sido comprimido en una celda de yunque de diamante a presiones de hasta 2.500.000 atm (~253 GPa), no confirmaron metalización detectable. El equipo había tratado simplemente de medir los cambios de conductividad eléctrica menos extremos que se esperaba ocurrieran. Los investigadores utilizaron un cañón de luz de gas de la década de 1960, originalmente empleado en los estudios de misiles guiados, para disparar una placa impactadora en un recipiente sellado que contenía una muestra de medio milímetro de espesor de hidrógeno líquido. El hidrógeno líquido estaba conectado mediante hilos conductores a un dispositivo de medición de la resistencia eléctrica. Los científicos encontraron que, cuando la presión aumentó a (), la energía asociada a la banda prohibida (bandgap), una medida de la resistencia eléctrica, se redujo a casi cero. La banda prohibida del hidrógeno en un estado no comprimido es de unos , un aislante inequívoco, pero, cuando la presión aumentó de manera significativa, la banda prohibida cayó gradualmente a . Dado que la energía térmica del fluido (debido a la compresión de la muestra, la temperatura era de unos 3000 K) era superior a , el hidrógeno podría ser considerado metálico.
Otras investigaciones experimentales desde 1996 Se han realizado muchos experimentos para la producción de hidrógeno metálico en condiciones de laboratorio, con compresión estática y bajas temperaturas. Arthur Ruoff y Chandrabhas Narayana, de la Universidad de Cornell, en 1998, y más tarde, Paul Loubeyre y René LeToullec, del Comisariado de la Energía Atómica (Francia), en 2002, han demostrado que a presiones similares a las del centro de la Tierra (3,2 a 3,4 millones de atmósferas o 324 a 345 GPa) y a temperaturas de 100-300 K, el hidrógeno no es todavía un verdadero metal alcalino, a causa de una banda prohibida mayor de cero. La búsqueda para obtener hidrógeno metálico en el laboratorio a baja temperatura y compresión estática continúa y también se está experimentando con el deuterio. En 2004, Shahriar Badiei y Leif Holmlid, de la Universidad de Gotemburgo, demostraron que los estados metálicos condensados hechos de átomos excitados de hidrógeno (la materia de Rydberg) son promotores eficaces de hidrógeno metálico.
Avances experimentales en 2008 El máximo teóricamente previsto de la curva de fusión (un requisito previo para el hidrógeno metálico líquido) fue descubierto por Shanti Deemyad e Isaac F. Silvera usando el calentamiento por pulsos de láser (pulsed laser heating). La aleación rica en hidrógeno, silano (SiH4), fue metalizada y M.I. Eremets et al. encontraron que era superconductora, confirmando la temprana predicción teórica de Ashcroft. En esta aleación rica en hidrógeno, incluso a presiones moderadas (a causa de una precompresión química) el hidrógeno forma una sub-red con una densidad correspondiente a la del hidrógeno metálico.
Experimento de calentamiento con láser de pulso, 2008 El máximo teóricamente predicho de la curva de fusión (el requisito previo para el hidrógeno metálico líquido) fue descubierto por Shanti Deemyad e Isaac F. Silvera usando un calentamiento mediante láser pulsado. M.I. Eremets et al.. alegó que el silano molecular rico en hidrógeno (SiH4) se habría metalizado y convertido en superconductor. Esta afirmación se discute y sus resultados no se han repetido.
Observación del hidrógeno líquido metálico, 2011 En 2011 Eremets y Troyan informaron haber observado el estado líquido metálico del hidrógeno y deuterio a presiones estáticas de 2 600 000. Esta afirmación fue cuestionada por otros investigadores en 2012.
Máquina Z, 2015 En 2015, los científicos de la Máquina Z (Z Pulsed Power Facility) anunciaron la creación de deuterio metálico.
Comunicación de observación directa del hidrógeno metálico sólido, 2016 El 5 de octubre de 2016, Ranga Dias e Isaac F. Silvera de la Universidad de Harvard dieron a conocer alegaciones de evidencia experimental de que el hidrógeno metálico sólido había sido sintetizado en el laboratorio. Este manuscrito estaba disponible en octubre de 2016 y una versión revisada fue publicada posteriormente en la revista Science en enero de 2017. En la versión preliminar del artículo, Dias y Silvera escriben: