Hidrógeno metálico: El santo grial de la energía y la superconductividad

El hidrógeno metálico es una fase exótica del elemento más ligero que, bajo presiones extremas superiores a los 400 gigapascales (GPa), exhibe conductividad eléctrica similar a la de los metales convencionales. Predicho teóricamente en 1935 por Wigner y Huntington, su obtención en el laboratorio ha sido descrita como “el santo grial de la física de altas presiones”.

¿Qué es el hidrógeno metálico?

El hidrógeno metálico es una fase en la que el hidrógeno, tradicionalmente un aislante molecular diatómico (H₂), pierde su brecha de banda electrónica y se comporta como un conductor de electricidad. Bajo condiciones ordinarias, el hidrógeno existe como gas o sólido molecular a muy bajas temperaturas, pero al someterlo a presiones del orden de los cientos de gigapascales, los átomos se reorganizan en una red de protones con electrones deslocalizados. Esta transición de aislante a metal plantea fascinantes propiedades cuánticas, incluida la posibilidad de superconductividad sin resistencia eléctrica hasta temperaturas cercanas a la ambiente.

Historia de la investigación

Predicciones teóricas (1935–2000)

En 1935, Eugene Wigner e Hillard Huntington predijeron que a presiones alrededor de 25 GPa el hidrógeno podría convertirse en metálico, aunque cálculos modernos elevan ese umbral a cerca de 400 GPa debido a las correcciones de energía de punto cero de los protones. A finales del siglo XX, Neil Ashcroft sugirió además que el hidrógeno metálico podría ser superconductor a temperatura ambiente, basándose en una fuerte interacción electrón‑red de vibraciones. Estudios computacionales posteriores (Johnson & Ashcroft, 2000) refinaron la presión necesaria y anticiparon posibles estructuras cristalinas estables solo accesibles con técnicas experimentales avanzadas.

Primeros experimentos (1996–2004)

El primer indicio experimental de hidrógeno metálico fluido se consiguió en marzo de 1996 en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, donde una compresión por ondas de choque alcanzó 140 GPa y 3 000 K, reduciendo la brecha de banda casi a cero por microsegundos. Sin embargo, este hidrógeno no era sólido ni metastable. En la década siguiente, investigaciones con yunque de diamante estático llegaron a presiones superiores a 320 GPa sin confirmar la transición metálica, pues persistía una brecha de banda no nula.

(Foto: NASA/R.J. Hall)

Métodos experimentales actuales

Difracción de rayos X nano‑enfocados

Un estudio reciente ha usado difracción de rayos X síncrotron nano‑enfocados para explorar fases de hidrógeno comprimido por encima de 212 GPa, revelando una nueva estructura post‑hcp que abre una ventana inédita hacia el hidrógeno metálico sólido. Estas técnicas permiten analizar muestras microscópicas (~5 µm) y mapear sus redes atómicas con gran precisión.

Células de yunque de diamante y espectroscopía infrarroja

Simultáneamente, grupos como el de Loubeyre, Occelli y Dumas han reportado evidencia por espectroscopía infrarroja de transiciones a fases metálicas cerca de 200 GPa, usando microcélulas con platinos como patrón de presión y correcciones basadas en radiación síncrotron. La mejora en la pureza del hidrógeno, la alineación de los yunques y la calibración de presión han sido claves para estos avances.

Aplicaciones potenciales

Superconductividad a temperatura ambiente

Si se lograse un hidrógeno metálico sólido superconductor estable a temperatura ambiente, revolucionaría la transmisión de energía, reduciendo pérdidas y habilitando tecnologías de levitación magnética y computación cuántica de alto rendimiento.

Propulsión espacial

El hidrógeno metálico metastable podría actuar como propulsor con un impulso específico teórico de hasta 1 700 s, muy superior a los cohetes químicos convencionales (< 500 s), aunque su almacenamiento y control térmico plantean enormes retos.

Ciencias planetarias

La existencia de hidrógeno metálico en el interior de planetas como Júpiter y Saturno explica sus poderosos campos magnéticos y aporta datos críticos a modelos de formación y dinámica de exoplanetas gigantes.

Desafíos y perspectivas

Lograr presiones superiores a 400 GPa en volúmenes útiles y evaluar la metastabilidad a bajas presiones siguen siendo los mayores obstáculos. Estudios recientes demuestran que tras la transición, el hidrógeno vuelve a fase molecular al liberar la presión, descartando por ahora su uso práctico sin contención ultrarresistente. No obstante, la combinación de técnicas dinámicas (ondas de choque), estáticas (yunques de diamante) y avanzadas de caracterización (rayos X nano‑enfocados, espectroscopía láser) promete descifrar este enigma en la próxima década.