과학자들이 인공 지능(AI)과 양자 역학을 결합함으로써 연구자들은이 행성의 극한 압력 조건에서 수소가 어떻게 금속이되는지를 발견했다.

영국 캠브리지 대학(University of Cambridge), IBM 리서치(IBM Research) 및 EPFL의 연구원들은 가장 강력한 슈퍼 컴퓨터의 크기와 시간 제한을 극복하기 위해 기계 학습(ML)을 사용해 수소 원자 간의 상호 작용을 모방했다.

조밀한 금속성 수소(전기 전도체처럼 행동하는 수소의 상)는 거대한 행성의 내부를 구성하지만 연구가 어렵고 제대로 이해되지 않았다.

공동 연구팀은 1차 전이로 발생하는 대신 수소가 부드럽고 점진적으로 변화한다는 것을 발견했다. 결과는 네이처(Nature) 저널에 보고됐다.

하나의 양성자와 하나의 전자로 구성된 수소는 우주에서 가장 단순하고 가장 풍부한 원소다. 그것은 우리 태양계의 거대 행성(목성, 토성, 천왕성, 해왕성)과 다른 별을 공전하는 외계 행성의 지배적 구성 요소다. 거대한 행성의 표면에서 수소는 분자 가스로 남아 있다. 그러나 거대한 행성의 내부로 더 깊숙이 들어가면 압력은 수백만 표준 대기압을 초과한다.

이 극심한 압축 하에서 수소는 상전이를 겪는다. 수소 분자 내부의 공유 결합이 끊어지고 가스는 전기를 전도하는 금속이 된다.

캠브리지 케빈디쉬 연구소(Cavendish Laboratory)의 빈킹 쳉(Bingqing Cheng) 박사는”금속 수소의 존재는 1세기 전에 이론화됐지만, 우리는 이 과정이 어떻게 일어나는지 알지 못했다. 실험실 환경에서 거대한 행성 내부의 극압 조건을 재현하는 데 어려움이 있고 대형 수소 시스템의 거동을 예측하는 복잡성”이라고 말한다.

실험가들은 두 개의 다이아몬드가 제한된 샘플에 고압을 가하는 다이아몬드 앤빌 셀(diamond anvil cell)을 사용해 고밀도 수소를 조사하려고 시도했다. 다이아몬드는 지구상에서 가장 단단한 물질이지만, 다이아몬드는 영원하다는 주장과는 반대로 극심한 압력과 고온, 특히 수소와 접촉 할 때 장치가 고장난다. 이것은 실험을 어렵고 비싸게 만든다.

이론적 연구도 도전적이다. 수소 원자의 운동은 양자 역학을 기반으로 한 방정식을 사용해 풀 수 있지만, 수 나노초 이상 동안 수천 개 이상의 원자를 가진 시스템의 거동을 계산하는 데 필요한 계산 능력은 세계에서 가장 크고 가장 빠른 슈퍼 컴퓨터도 능가한다.

일반적으로 고밀도 수소의 전이는 모든 물리적 특성의 갑작스러운 변화를 동반하는 1 차적이라고 가정한다. 1차 상전이의 일반적인 예는 액체 물을 끓는 것이다. 액체가 증기가 되면 온도와 압력이 동일하게 유지 됨에도 불구하고 모양과 거동이 완전히 바뀐다.

현재의 이론적 연구에서 쳉과 그녀의 동료들은 직접 양자 기계적 계산의 한계를 극복하기 위해 기계 학습을 사용하여 수소 원자 간의 상호 작용을 모방했다. 트리니티 대학의 주니어 연구 연구원이기도 쳉은 “우리는 놀라운 결론에 도달했고 고밀도 수소 유체에서 분자에서 원자로의 연속적인 전환에 대한 증거를 발견했다”고 말했다.

관련 ‘임계 점(critical point)’이 숨겨져 있기 때문에 전환이 원활하다. 임계점은 유체 사이의 모든 상전이 어디에나 있다. 두 단계로 존재할 수 있는 모든 물질에는 임계점이 있다. 증기 및 액체 물과 같이 임계점이 노출된 시스템은 명확하게 구별되는 상을 가지고 있다. 그러나 숨겨진 임계점이있는 고밀도 수소 유체는 분자 단계와 원자 단계 사이에서 점진적이고 지속적으로 변형될 수 있다. 또한 이 숨겨진 임계점은 밀도 및 최대 열용량을 포함한 다른 비정상적인 현상도 유발한다.

지속적인 전이에 대한 발견은 고밀도 수소에 대한 모순되는 실험을 해석하는 새로운 방법을 제공한다. 그것은 또한 거대한 가스 행성에서 절연 층과 금속층 사이의 부드러운 전환을 의미한다. 기계 학습, 양자 역학 및 통계 역학을 결합한 이 접근 방식은 미래의 수소 시스템에 대한 더 많은 물리적 통찰력을 발견할 것이다.

다음 단계로 연구자들은 고밀도 수소의 고체상 다이어그램에 관한 많은 열린 질문에 답하는 것을 목표로한다.

*Evidence for supercritical behaviour of high-pressure liquid hydrogen, Nature (2020). www.nature.com/articles/s41586-020-2677-y