El polémico hidrógeno metálico sólido en la revista Science

Por Francisco R. Villatoro, el 30 enero, 2017. Categoría(s): Ciencia • Física • Noticias • Physics • Science ✎ 12

Dibujo20170130 photos compressed hydrogen and sketches of molecular interpretation dias silvera phys org

Un Premio Nobel de Física espera a quien logre el hidrógeno metálico sólido a alta presión. Predicho en 1935 por Wigner y Huntington a 25 GPa (gigapascales), hoy sabemos que requiere más de 400 GPa. Como en la fábula de Esopo “el pastorcillo mentiroso y el lobo”, cada nuevo récord de presión viene con un nuevo anuncio. Hasta ahora todos han sido falsas alarmas. Se publican en Science indicios espectrales del hidrógeno metálico sólido a 495 GPa; tres puntos en una curva de reflectancia bajo incidencia normal. Solo tres puntos. Para muchos expertos se trata de una nueva falsa alarma.

Hay mucha competencia en el área y pronto el resultado será reproducido por otros investigadores. Quizás confirmen el resultado. O quizás lo refuten. Habrá que esperar unos meses para saberlo. Pero este asunto me recuerda mucho a la vida basada en el arsénico. El editor de Science se ha marcado un nuevo farol. Publica un estudio parco en pruebas a ver si “el burro toca la flauta”. Si no la toca, no pasará nada, todo el mundo olvidará que alguna vez Science publicó un estudio que no pasaría la revisión por pares de sus competidores. Todos ellos lo han criticado ante los periodistas cuando han sido preguntados.

El polémico artículo es Ranga P. Dias, Isaac F. Silvera, “Observation of the Wigner-Huntington transition to solid metallic hydrogen,” Science (26 Jan 2017), doi: 10.1126/science.aal1579arXiv:1610.01634 [cond-mat.mtrl-sci]. Te recomiendo leer a “Metallic hydrogen, once theory, becomes reality,” Phys.Org, 26 Jan 2017, y Davide Castelvecchi, “Physicists doubt bold report of metallic hydrogen. Many researchers are sceptical of a paper claiming to have compressed hydrogen to a metallic state,” Nature News, 26 Jan 2017.

En este blog también puedes leer “Nueva fase del hidrógeno a más de 325 gigapascales de presión,” LCMF, 09 Ene 2016, sobre un artículo de Philip Dalladay-Simpson, Ross T. Howie, Eugene Gregoryanz, “Evidence for a new phase of dense hydrogen above 325 gigapascals,” Nature 529: 63–67 (07 Jan 2016), doi: 10.1038/nature16164, que fue criticado por Ranga P. Dias, Ori Noked, Isaac F. Silvera, “No “Evidence for a new phase of dense hydrogen above 325 GPa”,” arXiv:1605.05703 [cond-mat.other]. También se ha criticado el trabajo de M. I. Eremets, I.A. Troyan, A. P. Drozdov, “Low temperature phase diagram of hydrogen at pressures up to 380 GPa. A possible metallic phase at 360 GPa and 200 K,” arXiv:1601.04479 [cond-mat.mtrl-sci]. En este área de investigación las críticas de unos investigadores a otros son muy, pero muy habituales.

[PS 31 Ene 2017] En la versión anterior de esta entrada había puesto “Pedro y el lobo” para referirme al nombre popular que recibe la fábula de Esopo titulada “El pastorcillo mentiroso y el lobo”. Pero tras múltiples críticas, ya que se puede confundir con la obra musical de Serguéi Prokófiev, he decidido cambiarlo.

[PS 01 Feb 2017] Recomiendo leer a Juan Ángel Sans (@tresse77), “Hidrógeno metálico: realidad o ficción,” La Física del Grel, 30 Ene 2017.

[PS 01 Mar 2017] Recomiendo leer a Juan Ángel Sans (@tresse77), “Hidrógeno metálico: el contraataque,” La Física del Grel, 01 Mar 2017. “En el mundo científico todo es analizado y revisado concienzudamente hasta probar los puntos débiles de cada trabajo. [Hay] una guerra entre el grupo que proclamó [el] descubrimiento y el resto de investigadores rivales. [Bien] conocidos por sus minuciosos trabajos, Gontcharov y Struzhkin, [se] han puesto manos a la obra para estudiar la publicación de Dias y Silvera. [Ciertos] factores de corrección fueron aplicados de forma errónea. [La] fase del hidrógeno que se observa no es en absoluto metálica. [Diez] días después, [el] archienemigo de Silvera, Eremets (junto a Drozdov) [defiende] que la determinación de la presión está equivocada. [La] guerra ha empezado”.

[PS 05 Mar 2017] La polémica crece, pues Silvera ha confesado que las muestras que usó han desaparecido de las puntas de diamante, luego no puede replicar sus propios resultados. Más información en Ryan F. Mandelbaum, “Overhyped ‘Miracle’ Metal Hydrogen Miraculously ‘Disappears’,” Gizmodo, 27 Feb 2017.

[PS 31 Jul 2017] Recomiendo la entrevista de Oscar Varela, “Entrevista a Ranga Dias,” La Física del GREL, 31 Jul 2017.

Dibujo20170130 energy dependence normal incidence reflectance solid metallic hydrogen sciencemag org

Muchos expertos desean una medida del transporte electrónico en las muestras. Pero bajo una presión de casi 500 GPa (en concreto 495 ± 13 GPa) lograrlas puede costar años. El camino emprendido por Dias y Silvera, físicos de la Universidad de Harvard, EE.UU., ha sido estudiar la reflección de luz que incide en dirección normal sobre la muestra. Realizar esta medida en muestras a casi 500 GPa de presión también es difícil, pero mucho más sencilla. El hidrógeno metálico líquido es oscuro, mientras que el hidrógeno metálico sólido debería ser brillante como un metal. Dias y Silvera en fotografiado su muestra con una cámara CCD y medido su espectro de reflectancia bajo luz visible en tres puntos.

Dibujo20170130 T-P phase diagram of hydrogen along Pathway I dias silvera sciencemag org

El camino seguido por Dias y Silvera para lograr el hidrógeno metálico sólido es novedoso. Mantener la muestra a baja temperatura (83 K) mientras que se incrementa la presión de unos 50 GPa hasta 500 GPa (el llamado pathway I). También se han realizado medidas a unos 350 GPa (en concreto 355 ± 13 GPa) por el camino más habitual (pathway II) que consiste en bajar la temperatura, en concreto de unos 200 K a solo 5 K (Ranga Dias, Ori Noked, Isaac F. Silvera, “New low temperature phase in dense hydrogen: The phase diagram to 421 GPa,” arXiv:1603.02162 [cond-mat.other]).

Dibujo20170130 optical set up used to photograph and measurement solid hydrogen sciencemag org

Los indicios más fuertes que han permitido la publicación en la prestigiosa Science son las medidas en la región de 500 GPa realizadas a 83 K y a 5 K. El espectro óptico se considera la prueba más firme aportada por Dias y Silvera de la existencia del hidrógeno metálico sólido. Pero la mayoría de los expertos que compiten en la carrera por el hidrógeno metálico sólido consideran estas pruebas como poco firmes. Como ya he dicho más arriba, en este área de investigación las críticas de unos investigadores al trabajo de otros son muy habituales. Lo bueno para nosotros (el público general) es que cada nuevo resultado es repetido por los competidores unos meses más tarde buscando fallos y/o problemas. Y la mayoría de las veces acaban siendo encontrados (hasta ahora todo han sido falsas alarmas).

Dibujo20170130 diamond compress hydrogen dias silvera phys org

La crítica más fuerte al trabajo de Dias y Silvera es que sus muestras pueden estar contaminadas. Su medida óptica del espectro de reflexión no permite descartar que impurezas metálicas en las puntas de diamante sean las responsables del brillo observado. La calibración del sistema óptico de medida es muy complicada. Se ha usado renio, pero solo con tres medidas se considera poco fiable. Habrá que esperar a que el experimento sea repetido por otros investigadores usando nuevos sistemas de calibración más fiables.

En resumen, quizás estamos ante una nueva falsa alarma, o quizás ante las puertas de un Premio Nobel de Física. Como siempre, lo que me gustaría destacar es que lo apasionante de la carrera hacia el hidrógeno metálico sólido es la propia aventura que supone. Cuando se logre se escribirán libros de divulgación relatando las proezas de los aventureros que compitieron entre sí. Y seguro que todos disfrutaremos de sus desventuras y momentos pasajeros de gloria.

Dibujo20170130 experimental theoretical P-T phase diagram with two pathways metallic hydrogen sciencemag org

Por cierto, quizás te preguntes, ¿por qué es importante demostrar la existencia del hidrógeno metálico sólido? Por un lado, porque permitirá entender cómo generan su campo magnético los planetas gigantes gaseosos (como Júpiter); se cree que la razón es que su núcleo es de hidrógeno metálico sólido. Por otro lado, porque se cree que el hidrógeno metálico sólido es superconductor a temperatura ambiente; en su caso se abriría una puerta hacia la superconductividad a temperatura ambiente que promete revolucionar este área. Y, finalmente, algunos teóricos han propuesto que el hidrógeno metálico sólido podría ser estable a baja presión (una vez formado a enormes presiones); en su caso sería un material (aunque muy caro de fabricar) que podría tener enormes aplicaciones en la industria, desde la energía de fusión hasta el uso del hidrógeno como vector energético.



12 Comentarios

  1. Si el hidrógeno metálico, una vez formado a muy altas presiones y muy bajas temperaturas, fuese estable a temperatura y presión ambiente, ya se habría observado en algún lugar del Universo y no es así.

    1. Si prestas atencion, unicamente menciona que el hidrogeno metalico puede llegar a mantenerse estable a temperatura ambiente, y a BAJA presion, jamas dice a “presion ambiente”. Osea, lo de baja presión es relativo respecto a la alta presión a la que se genera el hidrogeno metalico (500 bar = 493 atm +/-), asi que baja presión seria unas 40 atm.
      Cuidado con la redacción, y cuidado con la interpretación.

      1. Sin más clarificación “baja presión” también puede incluir presión ambiente o incluso menos, lo mismo que en lugar de las 40 atm también podrían ser 300 atm. Pero por la analogía que se suele hacer con el diamante entiendo que (de ser metaestable) dado lo que suele comentar sobre sus posibles aplicaciones sí sería estable a presión y temperatura ambiente, aunque (igual que el diamante) se degradaría lentamente.

        1. O no tan lentamente (ver punto 3 de las Contras).

          Lo de “estable” también es relativo, de lo contrario no podría ser un potencial vector energético. Piensa en la nitroglicerina, es muy estable, pero a la menor provocación ¡BOOOM!

          http://www.projectrho.com/public_html/rocket/enginelist.php
          Para ir al grano (es que la cantidad de sistemas de propulsión reales y ficticios listados en esa página es apabullante) buscar (Ctrl + F) Metallic Hydrogen

          Pros:
          1) 216 megajoules per kilogram (versus 4,2 megajoules per kg of TNT).
          2) High density (versus liquid hydrogen’s low density).
          3) Probably does not need to be cryogenically cooled.

          Contras:
          1) Very expensive.
          2) Reaction chamber will reach a temperature of at least 6000 K.
          3) Quantum tunneling might make the stuff explode with no warning.

          Saludos.

          1. “O no tan lentamente” Pués también. Lo que digo es que tal como está enunciado, ni aquí ni en otros sitios se descarta que el “baja presión” pueda ser presión ambiente como una de las posibilidades, que lógicamente es a la que se le da más bombo y se toma como la posibilidad por defecto. Y cuando digo “por defecto” no me refiero a por ser la más probable sino por ser la más optimista dentro de las que se barajan.

    2. Creo que lo deja claro, su existencia jsutificaria el campo magnetico de los gigantes gaseosos.

      Estimado amigo, no confunda el “no haberlo observado” con la no existencia de algo.

      Somos bastante mas ignorantes que eso y suponer que si no lo conocemos es que no exite es muy trump.

      1. La existencia de hidrógeno metálico en el núcleo de planetas gigantes no tiene nada que ver con el artículo, ni con que exista a temperaturas y presiones “normales” que para nada son las que hay en el núcleo de Jupiter u otros planetas gigantes.

        1. Miguel creo que malinterpretas totalmente el texto. El hidrógeno metálico se generaría de manera natural, hipotéticamente hablando, en condiciones de temperatura y presión semejantes a las del núcleo de un gigante gaseoso; luego este metal podría ser estable en condiciones más “normales”.
          Como lamentablemente conocemos muy pocos lugares sino ninguno en los que estas condiciones se den, mucho menos somos capaces de realizar una observación directa de estos sitios con el fin de detectar hidrógeno metálico. Por último la posibilidad de encontrar con un telescopio u otro elemento de medición actual este material flotando por el universo (siendo que nos cuesta horrores detectar algo del tamaño de un planeta) es prácticamente imposible. Solo por no haber observado algo no lo hace falso.
          Saludos

  2. hola francis, perdon por la pregunta fuera del tema del articulo

    Estos hologramas son volumetricos? es realmente como star wars ? hologramas flotando en el espacio de luz?

    gracias

    1. El paper presenta un método que mejora la definición de imagen de los hologramas. Este y otros tipos de holograma SON volumétricos por definición, ocupan espacio aunque sólo son luz. Otros son 2D, ofrecen una sensación 3D total pero sólo si se los observa frontalmente (no son auténticos hologramas).

      Por cierto, los hologramas han de proyectarse sobre una pantalla… aunque la “pantalla” no sea más que el aire:
      https://es.wikipedia.org/wiki/Holograf%C3%ADa

      Puedes tirar los de Star Wars a la basura, alucina con estos de tecnología 7D 🙂
      http://www.vix.com/es/btg/59864/que-son-los-hologramas-en-7d-videos

    2. Benjamin, todavía queda mucho para algo como Star Wars. Como dice Pelau se requiere una pantalla… que en este artículo es el sensor de una cámara CCD. La imagen es dinámica (como una película) pero es muy sencilla, un conjunto de 15 puntos brillantes “en el aire”. El volumen donde se proyecta la imagen es muy pequeño 8 mm x 8 mm x 20 mm. Lo que se ha mejorado mucho es el enfoque de los puntos usando un nuevo tipo de lente, ya que usando lentes convencionales su enfoque depende de dónde se encuentren en el volumen. Gracias a ello el ángulo de visión del holograma es mayor. Este tipo de hologramas dinámicos se piensan para generar imágenes usando gafas de realidad aumentada (sobre todo en aplicaciones biomédicas).

      Más información en el propio paper, Hyeonseung Yu et al., “Ultrahigh-definition dynamic 3D holographic display by active control of volume speckle fields,” Nature Photonics (23 Jan 2017) doi: 10.1038/nphoton.2016.272.

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