物性物理学：高圧液体水素の超臨界挙動の証拠

水素は、宇宙で最も単純かつ最も豊富に存在する元素であり、圧縮により著しく複雑な振る舞いをするようになる。1世紀近く前にウィグナーがメガバール圧力における固体水素の解離と金属化を予測して以来、ほとんど解明されていない豊富な固体多形、異常な融解曲線、起こり得る超伝導状態への転移など、高密度水素の多くの特異な特性を説明しようとする試みがいくつかなされてきた。そうした極端な条件での実験は困難であるとともに、得られる観測結果は解釈が困難だったり議論の的になったりすることが多い。一方、理論研究は、十分に正確な量子力学計算を行う計算コストが膨大であることから限界がある。今回我々は、高密度水素の相図の理論研究に機械学習を用いて、参照にした計算結果からポテンシャルエネルギー曲面と原子間力を「学習」させ、次にそれらを低い計算コストで予測することで、長さスケールと時間スケールの限界を克服したことを報告する。我々は、リエントラント融解挙動と固体相の多形の両方を再現した。今回の機械学習に基づくポテンシャルを用いたシミュレーションからは、液体における分子–原子連続転移を示す証拠が得られ、融解曲線より上では一次転移は観測されなかった。これは、巨大ガス惑星では絶縁体層と金属層の間で滑らかな転移が起こることを示唆しており、実験間の既存の不一致を超臨界挙動の現れとして説明するものである。

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