Các mô phỏng lượng tử giúp làm sáng tỏ sự chuyển tiếp pha của hydrogen

Hydrogen là nguyên tố dồi dào nhất trong vũ trụ và là thành phần chính của những hành tinh khổng lồ như Mộc tinh và Thổ tinh.

Nhưng người ta không biết gì nhiều về cái xảy ra với nguyên tố dồi dào này dưới các điều kiện áp suất cao khi nó biến đổi từ trạng thái này sang trạng thái khác.

alt

Như thể hiện trong hình, các hành tinh khí khổng lồ thuộc hệ mặt trời của chúng ta – Mộc tinh, Thổ tinh, Thiên vương tinh và Hải vương tinh – chủ yếu cấu tạo gồm hydrogen. Ảnh: NASA

Sử dụng các mô phỏng máy tính, các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore (LLNL), Đại học Illinois tại Urbana-Champaign và Đại học L’Aquia ở Italy đã có thể làm sáng tỏ những chuyển tiếp pha này trong phòng thí nghiệm tương tự như cách chúng xuất hiện trong lõi của những hành tinh khổng lồ.

Họ phát hiện thấy một chuyển tiếp pha bậc nhất, một sự gián đoạn, ở hydrogen lỏng giữa một trạng thái phân tử với độ dẫn thấp và một trạng thái nguyên tử có độ dẫn cao. Điểm tới hạn của chuyển tiếp đo xảy ra ở những nhiệt độ cao, gần 3100 độ Fahrenheit và áp suất hơn một triệu atmosphere.

Nghiên cứu này làm sáng tỏ các tính chất của nguyên tố phổ biến này và có thể hỗ trợ các nỗ lực tìm hiểu sự hình thành của các hành tinh”, phát biểu của Eric Schwegler, một nhà khoa học tại LLNL.

Đội nghiên cứu đã sử dụng nhiều cách tiếp cận mô phỏng lượng tử phức tạp để khảo sát sự bắt đầu tách liên kết ở hydrogen dưới các điều kiện áp suất cao. Các mô phỏng cho thấy có một ngưỡng mật độ trong đó sự dẫn điện của chất lỏng tăng theo một kiểu không liên tục đối với các nhiệt độ dưới 3100 độ Fahrenheit.

Có một điểm đồng tồn tại nhiều pha lỏng-lỏng-rắn trong biểu đồ pha hydrogen tương ứng với sự giao nhau của chuyển tiếp pha lỏng-lỏng, theo Miguel Morales thuộc trường Đại học Illinois và là tác giả đứng đầu một bài báo đăng trực tuyến trong số ra tuần 21-25/6 của tờ Proceedings of the National Academy of Sciences.