Главная » Разное » Металлический водород что это такое

Металлический водород что это такое


Металлический водород — Википедия

Металли́ческий водоро́д — совокупность фазовых состояний водорода, находящегося при крайне высоком давлении и претерпевшего фазовый переход. Металлический водород представляет собой вырожденное состояние вещества и, по некоторым предположениям, может обладать некоторыми специфическими свойствами — высокотемпературной сверхпроводимостью и высокой удельной теплотой фазового перехода.

Предсказан теоретически в 1935 году.

В 1930-х годах британский ученый Джон Бернал предположил, что атомарный водород, состоящий из одного протона и одного электрона и представляющий собой полный аналог щелочных металлов, может оказаться стабильным при высоких давлениях [1]. В 1935 году Юджин Вигнер и X. Б. Хантингтон провели соответствующие расчёты. Гипотеза Бернала нашла подтверждение — согласно полученным расчётам, молекулярный водород переходит в атомарную металлическую фазу при давлении около 250 тыс. атмосфер (25 ГПа) со значительным увеличением плотности[2]. В дальнейшем оценка давления, требуемого для фазового перехода, была повышена, но условия перехода всё же считаются потенциально достижимыми. Предсказание свойств металлического водорода ведётся теоретически. Попытки получения, начатые в 1970-х годах, привели к сообщениям о возможном получении металлического водорода в 1996, 2008 и 2011 году, пока, наконец, в 2017 году профессор Айзек Сильвера и его коллега Ранга Диас не добились получения стабильного образца при давлении 5 млн атмосфер[3][4][1], однако камера, где хранился образец, под давлением разрушилась, и образец был потерян.

Связь с другими областями физики[править | править код]

Астрофизика

Считается, что большие количества металлического водорода присутствуют в ядрах планет-гигантов — Юпитера, Сатурна — и крупных экзопланет. Благодаря гравитационному сжатию под газовым слоем должно находиться ядро из металлического водорода.

Переход в металлическую фазу[править | править код]

При увеличении внешнего давления до десятков ГПа коллектив атомов водорода начинает проявлять металлические свойства. Ядра водорода (протоны) сближаются друг с другом существенно ближе боровского радиуса, на расстояние, сравнимое с длиной волны де Бройля электронов. Таким образом, сила связи электрона с ядром становится нелокализованной, электроны слабо связываются с протонами и формируют свободный электронный газ так же, как в металлах.

Жидкий металлический водород[править | править код]

Жидкая фаза металлического водорода отличается от твердой фазы отсутствием дальнего порядка. Имеется дискуссия о допустимом диапазоне существования жидкого металлического водорода. В отличие от гелия-4, жидкого при температуре ниже 4,2 K и нормальном давлении благодаря нулевой энергии нулевых колебаний, массив плотно упакованных протонов обладает значительной энергией нулевых колебаний. Соответственно, переход от кристаллической фазы к неупорядоченной ожидается при ещё более высоких давлениях. Исследование, проведенное Н. Ашкрофтом, допускает область жидкого металлического водорода при давлении около 400 ГПа и низких температурах[5][6]. В других работах Е. Бабаев предполагает, что металлический водород может представлять собой металлическую сверхтекучую жидкость. [7][8]

Сверхпроводимость[править | править код]

В 1968 году Нейл Ашкрофт предположил, что металлический водород может обладать сверхпроводимостью при сравнительно высоких температурах.[9]

Более точные расчёты[10] (Н. А. Кудряшов, А. А. Кутуков, Е. А. Мазур, Письма ЖЭТФ, т. 104, вып. 7, 2016, с. 488) показали, что критическая температура металлического водорода в фазе I41/AMD, той самой, которая изучалась[3] Рангой Диас и Иcааком Сильверой при давлении в 5 миллионов атмосфер, дает величину температуры перехода в сверхпроводящее состояние 215 кельвинов, то есть −58 градусов по Цельсию.

Экспериментальные попытки получения[править | править код]

Металлизация водорода ударным сжатием в 1996 году[править | править код]

В 1996 году Ливерморская национальная лаборатория сообщила, что в ходе исследований были созданы условия для металлизации водорода и получены первые свидетельства его возможного существования[11]. Кратковременно (около 1 мс) было достигнуто давление более 100 ГПа (106{\displaystyle 10^{6}} атм.), температура порядка тысяч кельвинов при плотности вещества около 600 кг/м3[12]. Поскольку предыдущие опыты по сжатию твердого водорода в ячейке с алмазными наковальнями до 250 ГПа не дали результата, целью эксперимента не было получение металлического водорода, а только изучение проводимости образца под давлением. Однако, по достижении 140 ГПа электрическое сопротивление практически исчезло. Ширина запрещенной зоны водорода под давлением составила 0.3 эВ, что оказалось сравнимо с тепловой энергией kT{\displaystyle kT}, соответствующей 3000 К и что свидетельствует о переходе «полупроводник — металл».

Исследования после 1996 года[править | править код]

Продолжались попытки перевести водород в металлическое состояние статическим сдавливанием при низких температурах. А. Руофф и Ч. Нараяна (Корнеллский университет, 1998)[13], П. Лоувьер и Р. Летуле (2002) последовательно приближались к давлениям, наблюдаемым в центре Земли (324—345 ГПа), но все же не наблюдали фазового перехода.

Эксперименты 2008 года[править | править код]

Теоретически предсказанный максимум кривой плавления на фазовой диаграмме, указывающий на жидкую металлическую фазу водорода, был экспериментально обнаружен Ш. Деемьяд и И. Сильвера[14]. Группа М. Ереметца заявила о переходе силана в металлическое состояние и проявление сверхпроводимости[15], но результаты не были повторены.[16][17]

Эксперименты 2011 года[править | править код]

В 2011 году было сообщено о наблюдении жидкой металлической фазы водорода и дейтерия при статическом давлении 260—300 ГПа. [18], что вновь вызвало вопросы в научном сообществе[19].

Эксперименты 2015 года[править | править код]

26 июня 2015 году в журнале Science была опубликована статья, в которой описан успешный эксперимент группы исследователей из Сандийских национальных лабораторий (США) совместно с группой из Ростокского университета (Германия) по сжатию жидкого дейтерия (тяжёлого водорода) с помощью Z-Машины до состояния, которое проявляет свойства металла[20].

Эксперименты 2016 года[править | править код]

В июле 2016 сообщалось, что физикам из Гарвардского университета удалось получить в лаборатории металлический водород. Они нагрели жидкий водород с помощью коротких вспышек лазера до температуры около 1900 градусов Цельсия и подвергли давлению в 1,1—1,7 мегабар[21].

Ожидается, что это вещество будет метастабильным, то есть при снятии давления останется металлом. Эксперимент физиков помогает объяснить, какие процессы могут происходить в недрах газовых гигантов. Учёные предполагают, что в будущем металлический водород может быть использован в качестве ракетного топлива или как сверхпроводник, способный существовать при комнатной температуре[22].

Научное сообщество скептически отнеслось к данной новости[23], ожидая повторного эксперимента[24].

Эксперименты 2020 года[править | править код]

В январе 2020 года французские физики подтвердили условия существования металлического водорода. [25][26]

Топливные элементы

Метастабильные соединения металлического водорода перспективны как компактное, эффективное и чистое топливо. При переходе металлического водорода в обычную молекулярную фазу высвобождается в 20 раз больше энергии, чем при сжигании смеси кислорода и водорода — 216 МДж/кг[27].

  1. ↑ 1 2 Сергей Стишов. Практическое использование металлического водорода следует отнести к научной фантастике // Коммерсантъ Наука, № 1, 24 февраля 2017
  2. ↑ Wigner, E.; Huntington, H.B. On the possibility of a metallic modification of hydrogen (англ.) // Journal of Chemical Physics. — 1935. — Vol. 3, no. 12. — P. 764. — doi:10.1063/1.1749590.
  3. ↑ 1 2 Ranga P. Dias, Isaac F. Silvera. Observation of the Wigner-Huntington transition to metallic hydrogen (англ.) // Science. — 2017-01-26. — P. eaal1579. — ISSN 1095-9203 0036-8075, 1095-9203. — doi:10.1126/science.aal1579.
  4. ↑ In, Geology. Scientists Have Finally Created Metallic Hydrogen, Geology IN. Дата обращения 28 января 2017.
  5. ↑ Ashcroft N. W. The hydrogen liquids (англ.) // Journal of Physics: Condensed Matter. — 2000. — Vol. 12, no. 8A. — P. A129. — doi:10.1088/0953-8984/12/8A/314.
  6. ↑ Bonev S.A., et al. A quantum fluid of metallic hydrogen suggested by first-principles calculations (англ.) // Nature. — 2004. — Vol. 431, no. 7009. — P. 669. — doi:10.1038/nature02968. — arXiv:cond-mat/0410425.
  7. ↑ Babaev E., Ashcroft N. W. Violation of the London law and Onsager–Feynman quantization in multicomponent superconductors (англ.) // Nature Physics. — 2007. — Vol. 3, no. 8. — P. 530. — doi:10.1038/nphys646. — arXiv:0706.2411.
  8. ↑ Babaev E., Sudbø A., Ashcroft N. W. A superconductor to superfluid phase transition in liquid metallic hydrogen (англ.) // Nature. — 2004. — Vol. 431, no. 7009. — P. 666. — doi:10.1038/nature02910. — arXiv:cond-mat/0410408.
  9. ↑ Ashcroft, N.W. Metallic Hydrogen: A High-Temperature Superconductor? (англ.) // Physical Review Letters. — 1968. — Vol. 21, no. 26. — P. 1748. — doi:10.1103/PhysRevLett.21.1748.
  10. ↑ N. A. Kudryashov, A. A. Kutukov, E. A. Mazur. Critical temperature of metallic hydrogen at a pressure of 500 GPa (англ.) // JETP Letters. — 2016-12-14. — Vol. 104, iss. 7. — P. 460—465. — doi:10.1134/S0021364016190061.
  11. ↑ Weir S. T., Mitchell A. C., Nellis W. J. Metallization of fluid molecular hydrogen at 140 GPa (1.4 Mbar) (англ.) // Physical Review Letters. — 2004. — Vol. 76, no. 11. — P. 1860. — doi:10.1103/PhysRevLett.76.1860.
  12. ↑ Nellis, W. J. Metastable Metallic Hydrogen Glass (неопр.). Lawrence Livermore Preprint UCRL-JC-142360 (2001). — «minimum electrical conductivity of a metal at 140 GPa, 0.6 g/cm3, and 3000 K».
  13. ↑ Ruoff A. L., et al. Solid hydrogen at 342 GPa: No evidence for an alkali metal (англ.) // Nature. — 1998. — Vol. 393, no. 6680. — P. 46. — doi:10.1038/29949.
  14. ↑ Deemyad S., Silvera I. F. The melting line of hydrogen at high pressures (англ.) // Physical Review Letters. — 2008. — Vol. 100, no. 15. — doi:10.1103/PhysRevLett.100.155701. — arXiv:0803.2321.
  15. ↑ Eremets M. I., et al. Superconductivity in hydrogen dominant materials: Silane (англ.) // Science. — 2008. — Vol. 319, no. 5869. — P. 1506—1509. — doi:10.1126/science.1153282.
  16. ↑ Degtyareva O. Formation of transition metal hydrides at high pressures (англ.) // Solid State Communications. — 2009. — Vol. 149, no. 39—40. — doi:10.1016/j.ssc.2009.07.022. — arXiv:0907.2128v1.
  17. ↑ Hanfland M., Proctor J., Guillaume C. L., et al. High-Pressure Synthesis, Amorphization, and Decomposition of Silane (англ.) // Physical Review Letters. — 2011. — Vol. 106, no. 9. — doi:10.1103/PhysRevLett.106.095503.
  18. ↑ Eremets M. I., Troyan I. A. Conductive dense hydrogen (англ.) // Nature Materials. — 2011. — No. 10. — P. 927—931. — doi:10.1038/nmat3175.
  19. ↑ Nellis W. J., Ruoff A., Silvera I. F. Has Metallic Hydrogen Been Made in a Diamond Anvil Cell? (англ.) // arxiv.org. — 2012. — arXiv:http://arxiv.org/abs/1201.0407.
  20. ↑ M. D. Knudson, M. P. Desjarlais, A. Becker, R. W. Lemke, K. R. Cochrane, M. E. Savage, D. E. Bliss, T. R. Mattsson, R. Redmer. Direct observation of an abrupt insulator-to-metal transition in dense liquid deuterium (англ.) // Science. — 26 June 2015. — Vol. 348, no. 6242. — P. 1455—1460. — doi:10.1126/science.aaa7471.
  21. ↑ Физики получили частицу Юпитера на Земле
  22. ↑ В США ученые провели эпохальный опыт. Они получили металлический водород // Независимая газета, 27.01.2017.
  23. ↑ Physicists doubt bold report of metallic hydrogen // Nature - News & Comment
  24. ↑ There's Reason To Be Skeptical About Metallic Hydrogen // Форбс (англ.)
  25. ↑ Физики нашли новые намеки на существование металлического водорода
  26. ↑ Подтверждено существование аномальной формы материи
  27. ↑ Silvera, Isaac F. Metallic Hydrogen: A Game Changing Rocket Propellant (неопр.). NIAC SPRING SYMPOSIUM (27 марта 2012). — «Recombination of hydrogen atoms releases 216 MJ/kg Hydrogen/Oxygen combustion in the Shuttle releases 10 MJ/kg ... density about 12-13 fold». Дата обращения 13 мая 2012.

Ученым из Гарварда удалось получить металлический водород / Habr


Изображение алмазных наковален, сжимающих образец молекулярного водорода. При высоком давлении водород переходит в атомарное состояние, как показано справа. Источник: Dias & Silvera, 2017

В 1935 году ученые Юджин Вигнер и Бэлл Хантингтон предсказали возможность перевода водорода в металлическое состояние под воздействием огромного давления — 250 тысяч атмосфер. Немного позже эта точка зрения была пересмотрена, специалисты повысили оценку давления, которое требуется для фазового перехода. Все это время условия перехода считались достижимыми, и ученые пробовали «взять планку», необходимую для перехода водорода в новую фазу. Впервые металлический водород пытались получить в 1970-х. Повторные попытки были предприняты в 1996, 2008 и 2011 году. Ранее сообщалось, что в 1996 году ученым из Германии удалось на долю микросекунды перевести водород в металлическое состояние, хотя не все согласны с этим.

Что касается давления, необходимого для получения металлического водорода, то с развитием квантовой механики и физики вообще стало понятно, что давление должно быть примерно в 20 раз более высоким, чем считалось ранее — не 25 ГПа, а 400 или даже 500 ГПа. Считается, что большие количества металлического водорода присутствуют в ядрах планет-гигантов — Юпитера, Сатурна и крупных внесолнечных планет. Благодаря гравитационному сжатию под газовым слоем должно находиться ядро из металлического водорода. Понятно, что для того, чтобы получить гигантское давление, нужны особые технологии и методы. Добиться желаемого получилось благодаря использованию двух алмазных наковален.

Прочность наковальни была усилена напылением из оксида алюминия, которое оказалось непроницаемым для атомов водорода. Образец водорода был сжат между заостренными концами двух алмазных наковален и при давлении в 495 ГПа ученые добились перехода образца в металлическую фазу.


Источник: Dias & Silvera, 2017

Во всяком случае, образец сначала потемнел, а затем стал отражать свет. При относительно низких показателях давления образец был непрозрачным, ток он не проводил. Эксперимент, проведенный Исааком Силвера (Isaac Silvera) и Ранга Диас (Ranga Dias), был повторным. Впервые добиться перехода водорода в металлическую фазу ученым удалось в середине 2016 года. Но результаты эксперимента нуждались в подтверждении, повторном опыте. Поскольку результаты изначального опыта подтвердились, их можно считать корректными.

К текущему результату ученые шли несколько лет. Только на то, чтобы достичь давления, при котором водород разбивается на индивидуальные атомы, у Силвера и Диас ушло три года. Давление, о котором идет речь — 380 ГПа.

После этого увеличение давления подразумевало необходимость усиления прочности алмазных наковален, которые использовались в эксперименте. Для этого стали напылять тончайшую пленку из оксида алюминия. Без усиления прочности алмазы, которые являются наиболее твердыми минералами на Земле, начинают разрушаться при увеличении давления выше показателя в 400 ГПа.

Учеными была проделана большая работа по изучению алмазов. Причин разрушения могло быть несколько — от дефектов структуры кристалла до влияния самого сжатого до огромной плотности водорода. Для того, чтобы решить первую проблему, специалисты тщательным образом проверяли структур кристалла под микроскопом с большим увеличением. «Когда мы просмотрели на алмаз под микроскопом, мы обнаружили дефекты, которые делают этот минерал уязвимым к внешним факторам», — заявил Силвера. Вторая проблема была решена при помощи напыления, противодействующего утечке атомов и молекул водорода.

Пока что сложно сказать, какую форму металла получили англичане — твердую или жидкую. Сами они затрудняются сказать, хотя считают, что водород перешел в фазу жидкого металла, поскольку это предсказано расчетами. В чем они уверены, так это в том, что образец водорода после сжатия стал в 15 раз более плотным, чем до начала этой процедуры. Температура водорода, который поместили в алмазную наковальню, составила 15К. После перехода элемента в металлическую фазу его нагрели до 83 К, и он сохранил свои металлические свойства. Расчеты показывают, что металлический водород может быть метастабильным, то есть сохранять свои свойства даже после того, как внешние факторы, которые привели к переходу элемента в металлическую фазу, будут ослаблены.

Зачем человеку металлический водород? Считается, что в таком состоянии он проявляет свойства высокотемпературного сверхпроводника. Кроме того, метастабильные соединения металлического водорода могут использоваться в качестве компактного, эффективного и чистого ракетного топлива. Так, при переходе металлического водорода в молекулярную фазу высвобождается примерно в 20 раз больше энергии, чем при сжигании килограмма смеси кислорода и водорода — 216 Мдж/кг.

«Для получения металлического водорода нам понадобилось огромное количество энергии. А если вы снова переведете атомарный металлический водород в молекулярное состояние, вся эта энергия высвободится, так что мы можем получить самое мощное ракетное топливо в мире, что совершит революцию в ракетостроении», — заявили авторы исследования. По их мнению, новое топливо, при условии его использования, позволит легко достичь других планет. Времени на путешествие к ним будет затрачено гораздо меньше, чем в настоящее время, с использованием современных технологий.

DOI: 10.1126/science.aal1579

Невозможный металл: Что такое металлический водород

Проблема получения металлического водорода заключается в том, что изучать поведение этого вещества при низких температурах и высоких давлениях оказалось непростой задачей. К тому же при высоких давлениях водород способен растворяться в металлах и буквально встраиваться в атомарную структуру сжимающих объектов.

В настоящее время высокие давления получают с помощью сжатия вещества в алмазной наковальне. ­Конечно, никаких кувалд там нет — ­на­оборот, их устройство напоминает об искусстве лесковского Левши, только объекты здесь в тысячи раз меньше, чем блошиная подковка. Достаточно сказать, что типичный объём материалов составляет 1 кубический микрон. Установка представляет собой два огранённых искусственных алмаза, соприкасающихся остриями.

Если сжать алмазы с помощью пресса, то в месте их контакта достигается давление, часто превышающее предсказанные Вигнером 250 тыс. атмосфер. Сегодня исследователи уверенно работают с давлениями до 2 млн атмосфер, а рекорд вообще составил 3,75 млн!

Ячейка с алмазными наковальнями

За счёт высокой твёрдости алмазных кристаллов в небольшом объёме можно получить давление более 500 ГПа, что в полтора раза больше давления в центре Земли. Прозрачность алмазов позволяет с помощью электромагнитного ­излучения исследовать сжимаемое вещество.

Образец водорода был сжат между двумя алмазными наковальнями при давлении в 495 ГПа. Образец сначала потемнел, а затем стал отражать свет.

Основные затраты при изготовлении алмазных наковален приходятся на обработку наконечников кристаллов. Вершины бриллиантов — не просто конусы, а плоские площадки-калетты размером в несколько десятков микрон (обычно для давлений до 200 атмосфер используются наковальни с диаметром калетты 0,6–0,8 мм, до 1000 атмосфер — 0,1–0,2 мм). Калетты имеют металлическую подложку, наносимую литографским способом. Для работы с жидкими и газообразными субстанциями наковальни снабжают так называемыми гаскетами — отверстиями в тонкой металлической пластине, проложенной между калеттами. В гаскетах можно сжимать несколько кубических микрон образца.

Опыты на алмазных наковальнях показали, что при давлениях до 2 млн атмосфер водород может существовать по крайней мере в трёх квазиметаллических фазах, оставаясь при этом диэлектриком. Качественный переход возможен при достижении 4–4,5 млн атмосфер: охлаждённый почти до абсолютного нуля, водород должен стать сверхпроводником.

В январе 2017 года учёные Гарвардского университета Айзек Сильвера и Ранга Диас сообщили в журнале Science, что им удалось получить металлический водород в алмазных тисках при давлении в 5 млн атмосфер. Однако при попытке извлечь его один из алмазов рассыпался, а сам образец безвозвратно исчез. По утверждениям учёных, при сжатии водород в камере из прозрачного превратился в непрозрачный, что свидетельствует о переходе в металлическое состояние.

Металлическое топливо

Сегодня 80% мировой энергетики работает на угле­водородном топливе: нефти, газе и угле. Их пагубное воздействие на окружающую среду и низкая эффективность заставляют учёных искать альтернативы. Соединения металлического водорода представляют собой компактное, эффективное и чистое топливо. При переходе его в обычную, молекулярную фазу высвобождается в 80 раз больше энергии, чем при сжигании угля, а продуктом горения является вода. К тому же водорода в природе очень много — 17 из каждых 100 атомов земной коры.

Возможно, эта сверхзадача будет решена на крупнейшем в мире источнике рентгеновского излучения Sandia Z-machine, создающем экстремальные температуры и давления. Теоретически эта установка способна развивать кратковременное (порядка нескольких микросекунд) давление до 20 млн атмосфер. Во всяком случае, отметка «15 млн» уже пройдена научными группами из Ливерморской национальной лаборатории (США), НИИЭФ и Института проблем химической физики РАН (Россия). А единичные результаты, полученные в период с 2014 по 2018 год физиками из коллаборации университетов Эдинбурга, Рочестера, Вашингтона, Беркли и французского Комиссариата по альтернативной и атомной энергии, показали, что при больших давлениях водород способен из жидкого ди­электрика кратковременно превращаться в жидкий металл — при температурах порядка 2000°С.

Как работает Z-машина

Sandia Z-machine — экспериментальная установка, предназначенная для исследования вещества в условиях экстремальных температур и давлений.

  1. Заряженные электрические конденсаторы хранят и при необходимости высвобождают заряды. Конденсаторы преобразуют электричество в сжатые импульсы, ­которые передаются в контейнеры с газом.
  2. Газ ионизируется с помощью лазеров, дополнительно сжимая импульсы и сокращая время ионизации.
  3. Энергия рентгеновского излучения, генерируемая магнитно-импульсной плазмой в течение нескольких наносекунд, намного больше, чем вся энергия, выделяемая всеми электростанциями в мире.
  4. Электричество перетекает в тонкий массив вольфрамовых проводов, сгруппированных в центральном отсеке размером с катушку ниток.

Но по-настоящему стабильный металлический водород — крепкий орешек, который ещё не скоро удастся расколоть (если говорить не о микрограммах, регулярно получаемых в лабораториях, а о сколько-нибудь объёмном производстве). Сейчас, в период сравнительно дешёвой нефти, водородное супертопливо потеряло актуальность. На время. Но оно обязательно придёт…

Физики заявили о создании твердого металлического водорода

Фотографии твердого водорода при давлении 2,05 миллиона атмосфер (a, образец прозрачный и свет проходит сквозь него), 4,15 миллиона атмосфер (b, образец непрозрачный, не отражает свет), 4,95 миллиона атмосфер (с, образец непрозрачный, отражает свет).

Ranga P. Dias, Isaac F. Silvera / Science, 2017

Физики из Гарвардского университета впервые синтезировали металлический водород. Чтобы добиться этого, ученые сжали водород в алмазной наковальне под давлением почти в 5 миллионов атмосфер и охладили до 5,5 кельвина. Теоретики предсказывают, что материал может оказаться комнатнотемпературным сверхпроводником, а также обладать рядом других необычных свойств. Независимые эксперты подвергают открытие сомнению. Исследование опубликовано в журнале Science (препринт работы), его обзор приводит журнал Nature.

Водород — самый распространенный элемент во Вселенной. В обычных условиях он существует в виде бесцветного газа, каждая частица которого состоит из двух атомов водорода. Если сжать обычный водород давлениями в тысячи атмосфер, то можно получить его сначала в жидком, а потом и в твердом виде — прозрачного, не проводящего электричество материала. В 1935 году физики Вигнер и Хантингтон теоретически предсказали, что дополнительно увеличив давление можно заставить водород перейти в металлическое состояние.

Этот материал привлек к себе внимание экспериментаторов благодаря своим необычным свойствам — с одной стороны, теоретики предсказывают ему сверхпроводимость при температурах близких к комнатной. С другой стороны, в виде металлической фазы водород запасает огромную энергию и его удобно хранить — это свойство важно для ракетостроения. Попытки синтеза материала начались во второй половине XX века, но до сих пор нельзя с уверенностью сказать, что он был получен.

Фазовая диаграмма водорода. Твердый металлический водород внизу справа.

Ranga P. Dias, Isaac F. Silvera / Science, 2017

Одна из важных проблем синтеза металлического водорода — высокие давления, необходимые для фазового перехода. Вигнер и Хантингтон предсказали, что молекулярный двухатомный водород должен превращаться в металлический одноатомный водород при давлениях около 250 тысяч атмосфер и низких температурах. Это примерно в 250 раз больше, чем давление на дне Марианской впадины. Однако эксперименты показали, что эта оценка не соответствует действительности. Современные исследования предсказывают величину давления фазового перехода в 4-5 миллионов атмосфер — это эквивалентно давлению, которое оказывает объект с массой слона, стоящий на игле с площадью поверхности острия меньше квадратного миллиметра. 

Авторы новой работы утверждают, что смогли синтезировать твердый металлический водород с помощью алмазной наковальни, создававшей давление в 4,95 миллиона атмосфер в охлаждаемой жидким гелием ячейке. Этот прибор представляет собой пару высококачественных алмазов, с плоскими отшлифованными гранями наковальни. Их сжимают, вкручивая длинные стальные винты.

Схема эксперимента

R. Dias and I.F. Silvera

Ранее гарвардский коллектив ученых уже предпринимал попытки синтеза металлического водорода — в ходе экспериментов физики выяснили несколько проблем, осложняющих достижение больших давлений. В первую очередь водород способен проникать в алмаз и делать его более хрупким. С ростом давлений это приводит к разрушению «наковальни». Во-вторых, лазерное излучение, используемое для мониторинга состояния ячейки, также может привести к разрушению алмаза (например, инфракрасное излучение способно превратить алмаз в графит).  Чтобы избежать этих сложностей авторы модифицировали традиционный эксперимент.

Физики покрыли алмазные поверхности аморфным оксидом алюминия (толщиной 50 нанометров), для предотвращения диффузии водорода. Кроме того, использование лазерного излучения в эксперименте было минимизировано — оценка давлений делалась на основе количества оборотов винта.

Ученые следили за изменениями в образце с помощью микроскопа. При двух миллионах атмосфер водород был прозрачным твердым веществом. При 4,15 миллиона атмосфер образец потемнел и перестал пропускать свет.  При давлении 4,95 миллиона атмосфер авторы обнаружили, что образец стал красноватым и начал хорошо отражать свет. Из спектральных данных физики определили, что в твердом водороде возникла большая концентрация свободных носителей заряда (7,7±1,1×1023 частиц на кубический сантиметр) — в десятки раз больше чем у лития, натрия или калия (щелочных металлов). По словам ученых, это подтверждает металлическую природу материала.

Независимые эксперты, также участвующие в «гонке» синтеза металлического водорода, сомневаются в надежности работы. Во-первых, эксперимент по синтезу металлического водорода был поставлен лишь один раз и не воспроизводился. Во-вторых, свою роль могло сыграть покрытие из оксида алюминия — нет уверенности, что материал не восстановился до металлического алюминия. Евгений Грегорянц, синтезировавший год назад фазу-предшественник металлического водорода, также отмечает, что детальные измерения состояния ячейки были сделаны лишь при пиковых значениях давлений. На их основании нельзя надежно судить о достигнутом давлении, как и на основе количества оборотов винта.

Убедить экспертов может повторение эксперимента и дополнительные тесты. По словам Айзека Сильвера, соавтора работы, решение опубликовать статью с ограниченным количеством подтверждающих тестов было связано с тем, что образец может разрушиться при дальнейшей работе с ним. Сейчас, когда исследование опубликовано, физики планируют провести анализ рамановского рассеяния на металлическом водороде и другие тесты.  

Это не первое заявление ученых о синтезе металлического водорода. В июле 2016 года группа исследователей под руководством Айзека Сильвера заявила о синтезе жидкого металлического водорода (и также подверглась критике). В 2011 году о синтезе материала заявляли Михаил Еремец и Иван Троян из Химического института общества Макса Планка, однако, по словам химиков, надежных подтверждений до сих пор получено не было. Считается, что встретить жидкий металлический водород можно, например, в недрах Юпитера.

Владимир Королёв

Металлический водород: исчезающая мечта о сверхпроводимости

Через давление к звёздам

Возможность создания металлического водорода в лабораторных условиях будоражит учёных больше 80 лет. В 1935 году американские физики Хиллард Белл Хантингтон и Юджин Вигнер предсказали возможность фазового перехода водорода в металлическое состояние под давлением около 250 тысяч атмосфер. Практические же попытки «спрессовать» первый элемент из периодической системы элементов до состояния металла начались в 1970-е годы и продолжаются до сих пор. Объясняется это упорство просто: согласно теоретическим построениям Хантингтона – Вигнера, металлический водород обладает уникальной способностью проводить электрический ток с минимальным сопротивлением, и что ещё важнее – едва ли не при комнатной температуре.

Возможная сфера применения этого материала необычайна широка – от сверхъёмких аккумуляторов до томографов и даже поездов на магнитной подушке. Самые смелые в своих прогнозах теоретики говорят о том, что из металлического водорода можно создать ракетное топливо, которое позволит преодолевать межзвёздные пространства. Кроме того, согласно расчётам астрофизиков, металлический водород составляет значительную часть ядра у так называемых газовых гигантов – планет вроде Юпитера. Так что работая над созданием металлического водорода, учёные в лабораторных условиях получают доступ к тайнам планетарного масштаба.

Битва за металл

В последние годы учёные по всему миру неоднократно пытались сжать крошечные образцы водорода между двумя алмазными «наковальнями». При этом давление, которого удавалось добиться, превышало давление в центре Земли. Подобные эксперименты невероятно сложны и чреваты многочисленными ошибками и сбоями. Исследователи наблюдали, как прозрачный материал, помещённый под сверхмощный пресс, начинает темнеть – это означает, что электроны водорода сближаются настолько, что поглощают фотоны видимого света. Ближе всего приблизиться к цели удалось в 2011 году немецким учёным из Института химии Макса Планка в Майнце. Но создать действительно металлический блестящий водород, который бы отражал свет, никому не удавалось. По крайней мере до минувшей осени.

5 октября 2016 года Исаак Сильвера и Ранга Диас, физики из Гарвардского университета, опубликовали на сайте arXiv.org 11-страничный труд под заголовком «Наблюдение за переходом Вигнера – Хантингтона к твёрдому металлическому водороду» (Observation of the Wigner-Huntington Transition to Solid Metallic Hydrogen). 26 января 2017 года расширенная версия доклада была опубликована на сайте знаменитого журнала Science, и именно эта публикация вызвала настоящий ажиотаж в научных кругах.

Диас и Сильвера утверждали, что им удалось сжать водород под таким давлением, которого до сих пор не достигал никто. Для этого учёные отполировали обе части алмазной наковальни, с тем чтобы избежать возможных трещин, укрепили их оксидом алюминия, взяли крошечный образец водорода, поместили всю эту конструкцию в криостат и довели температуру в нём до абсолютного нуля (-273 °С). В этих условиях они сжали крошечную частицу водорода под давлением 495 гигапаскаль, что почти в 5 млн раз превышает земное атмосферное давление.

«Мы взглянули на образец через микроскоп и увидели, что он отражает свет, блестит, как и должен металлический водород», – заявил Сильвера журналистам.


Сделанные под микроскопом снимки показывают превращение водорода в блестящую металлическую субстанцию

Червь сомнений

Научное сообщество отреагировало немедленно. 27 января на сайте журнала Nature вышла публикация, в которой сразу пять крупных международных специалистов выразили сомнение в убедительности результатов Сильверы и Диаса.

Геофизик Александр Гончаров из Института Карнеги в Вашингтоне отметил, что блеск, который учёные увидели в микроскопе, не подтверждает того, что им удалось преобразовать водород в металл. Этим блестящим материалом вполне мог быть и оксид алюминия, покрывавший кончики бриллиантов «наковальни».

Физик Евгений Григорянц из Университета Эдинбурга был ещё более категоричен. «Всё это выдумка от начала и до конца, – сказал он. – Проблема в том, что они зафиксировали состояние вещества под максимальным давлением, но не весь процесс фазового перехода».
По мнению Поля Лубера из французского Комиссариата по атомной энергии, статья Сильверы и Диаса неубедительна. «Если они действительно хотят быть убедительными, они должны повторить эксперимент, фиксируя преобразование материала под усиливающимся давлением», – подчеркнул учёный.

Косвенно в защиту гарвардских физиков выступил главный редактор Science Джереми Берг. Не комментируя их доклад по существу, он отметил, что все присылаемые в редакцию рукописи проходят самую тщательную проверку, при этом публикуется не более 7% из них.

Тем временем Сильвера и Диас защищали своё открытие как могли.

«Мы специально опубликовали доклад до подтверждающих тестов, – заявил Сильвера, – но если бы мы повторили эксперимент ещё раз, добились бы тех же результатов».

Чтобы сохранить полученный материал, который уже окрестили «святым Граалем физики высоких давлений», Сильвера и Диас оставили его в том же криостате, где он и был создан.

Однако в конце февраля учёные выступили с ошеломляющим заявлением. Они рассказали, что в ходе очередного эксперимента один из алмазов наковальни разрушился, а сам образец металлического водорода исчез. «Возможно, он куда-то закатился или попросту снова превратился в газ», – растерянно сообщил Сильвера.

Куда-нибудь «закатиться» образец действительно мог, учитывая, что его диаметр составляет около 10 микрометров – в 5 раз меньше диаметра человеческого волоса. Если же он испарился, скорее всего, это значит, что учёным так и не удалось превратить газ в металл. Иными словами, мечта о металлическом водороде так и осталась лишь мечтой.


Металлический водород - это... Что такое Металлический водород?

Эта статья содержит незавершённый перевод с английского языка.

Вы можете помочь проекту, переведя её до конца.

Металлический водород — совокупность фазовых состояний водорода, находящегося при высоком давлении и претерпевшего фазовый переход. Металлический водород представляет собой вырожденное состояние вещества и обладает некоторыми замечательными свойствами — высокотемпературной сверхпроводимостью и высокой удельной теплотой фазового перехода. Возможно существование твердой кристаллической и жидкой фазы металлического водорода, в которой отсутствует дальний порядок.

История исследований

В 1935 год Ю. Вигнер и X. Б. Хантингтон предсказали переход водорода в металлическое состояние под действием высокого давления (около 25 ГПа) и потерю валентного электрона ядром[1]. В дальнейшем оценка давления, требуемого для фазового перехода, была повышена, но условия перехода всё же считаются потенциально достижимыми. Предсказание свойств металлического водорода ведется теоретически. Попытки получения, начатые в 1970-х годах, привели к серии опытов М. Еремец в 2008 и А так же Еремец и Троян 2011 годах[2]. Однако, имеются сомнения в получении металлического водорода[3].

Теоретические свойства

Твердый металлический водород

Кристаллическая решетка твердого металлического водорода формируется ядрами водорода (протонами), находящимися друг от друга существенно ближе боровского радиуса, на расстоянии, сравнимом с длиной волны де Бройля электронов. Таким образом, электроны слабо связаны с протонами и формируют свободный электронный газ так же, как в металлах.

Жидкий металлический водород

Жидкий металлический водород образуется при плавлении твердого металлического водорода. В отличие от гелия-4, жидкого при нормальном давлении и температуре ниже 2,17 K, существование жидкого металлического водорода в таких условиях ставится под сомнение. Энергия нулевых колебаний в массиве плотно упакованных протонов велика, и переход от кристаллической фазы ожидается при высоких давлениях. Исследование максимальной точки плавления на диаграмме состояний водорода, проведенное Н. Ашкрофтом, допускает область давлений около 400 ГПа, при которых водород является жидким металлом при низких температурах[4][5]. Егором Бабаевым было предсказано что металлический водород может представлять собой новое агрегатное состояние: металлическую сверхтекучую жидкость.[6][7]

Сверхпроводимость

Металлический водород обладает сверхпроводимостью при температурах, вплоть до комнатной, что гораздо выше, чем в других материалах.

Экспериментальные попытки получения

Ударное сжатие: W. Nellis Предположительно получил металлический водород в экспериментах по ударному сжатию [8] Опыты 2008 и 2011 года. Ударное сжатие. Получение давлением в алмазных наковальнях.

Связь с другими областями физики

Металлический водород может существовать в ядрах планет-гигантов.

Применение

Предлагаются топливные ячейки, использующие отдачу энергии фазового перехода металлического водорода в диэлектрическое состояние при снятии давления.

См. также

Примечания

Металлический водород — сверхпроводник с наибольшей критической температурой?

Предварительные расчеты итало-немецкой группы физиков-теоретиков показывают, что металлический водород, находящийся под давлением около 4,5 млн атмосфер, может обладать наибольшей среди высокотемпературных сверхпроводников критической температурой перехода, равной 242 К (–31 градус Цельсия).

Температура, при которой газообразный водород становится жидкостью, составляет 20 К. Перевести жидкий водород в твердое состояние можно, понизив температуру еще на 6 К. В 1935 году Юджин Вигнер и Хиллард Хантингтон опубликовали статью, в которой они первыми предположили, что при высоких давлениях водород из газа с диэлектрическими свойствами должен превратиться в проводящий металл. Превращение, по мнению авторов, будет происходить при давлении примерно 25 ГПа (1 ГПа равен приблизительно 10 тыс. атмосфер). (Отметим, что водород проявляет металлические свойства — например, хорошо проводит электрический ток — не обязательно находясь именно в твердом агрегатном состоянии. Иными словами, водород может быть и жидкостью с металлическими свойствами — эдакий жидкий металл.)

Экзотика на этом не закончилась, и в 1971 году появилась работа советских теоретиков во главе с Юрием Каганом, которые доказывали, что металлический водород может оказаться метастабильным. Слово «метастабильный» означает, что после снятия высокого давления водород не превратится снова в газ с диэлектрическими, непроводящими свойствами, а будет оставаться металлом. Однако всё еще неизвестно, будет ли время существования такой метастабильной фазы достаточным, чтобы попытаться измерить ее свойства и успеть применить.

В экспериментальном плане первый успех, связанный с водородом, был достигнут, когда в феврале 1975 года группа ученых под руководством Леонида Верещагина из Института физики высоких давлений СССР получил водород в металлическом состоянии. При температуре 4,2 К (температура кипения гелия) в тонком слое водорода, подвергнутым с помощью алмазных наковален давлению около 300 ГПа, ученые наблюдали уменьшение электрического сопротивления водорода в несколько миллионов раз, что служило свидетельством перехода в металлическое состояние.

Алмазная наковальня, использующаяся для получения высоких давлений, представляет собой два искусственных алмаза, которые прижимаются друг к другу остриями с помощью пресса. В результате на срезе диаметром всего несколько десятых долей миллиметра достигается необходимое давление. В этом месте в ячейке микрометрового размера находится охлажденный образец. Часто эксперименты делаются с образцами в виде тонких пленок, толщиной до 1 мкм. В том же месте к образцу подводятся миниатюрные измерительные приборы: термопары, электроды и другое необходимое оборудование.

Возникает вопрос: если водород может стать металлическим, то возможен ли дальнейший переход такого состояния в сверхпроводящее? Будет ли металлический водород сверхпроводником? Первым, кто задался таким вопросом, был Нейл Эшкрофт, который в 1968 году (спустя 11 лет после объяснения явления сверхпроводимости), используя теорию БКШ, предсказал, что металлический водород будет обладать экзотическими свойствами, в частности сверхпроводимостью, при высокой температуре, превышающей 200 К.

И вот недавно вышла совместная работа итальянских и немецких физиков-теоретиков Ab Initio Description of High-Temperature Superconductivity in Dense Molecular Hydrogen, в которой утверждается, что, благодаря электрон-фононному механизму образования куперовских пар, критическая температура перехода Tc молекулярного водорода из металлического в сверхпроводящее состояние может достигать рекордного на данный момент значения 242 К. Правда, при этом должно быть огромное давление — 450 ГПа, что приблизительно в 4,5 млн раз больше земного атмосферного давления.

Как происходит электрон-фононное образование куперовских пар? Электрон при перемещении в периодической решетке кристалла притягивает ближайшие положительно заряженные ионы, слегка деформируя решетку и образуя кратковременное увеличение концентрации положительного заряда (см. рис. 1). Эта увеличенная концентрация положительного заряда притягивает другой электрон. Таким образом, эти оба электрона посредством кристаллической решетки притягиваются. Ионы при ненулевой температуре совершают колебания около своих положений равновесия. Кванты таких колебаний называются фононами.

Под электрон-фононным взаимодействием подразумевается сложный процесс взаимодействия электронов с движущейся (колеблющейся) кристаллической решеткой. Когда электрон-фононное взаимодействие превысит кулоновское отталкивание двух электронов, то эти два электрона могут образовать куперовскую пару. Если температура равна нулю, свободный электрон, перемещаясь по кристаллу и возбуждая колебания решетки, может излучить фонон, который будет поглощен другим электроном. В этом случае, как говорят физики, происходит акт электрон-фононного взаимодействия электронов, а значит, электроны могут объединиться в куперовскую пару.

Численно охарактеризовать электрон-фононное взаимодействие можно специальной константой, которую обозначают греческой буквой λ и называют константой электрон-фононного взаимодействия. В теории БКШ она, наряду с температурой Дебая, определяет Tc данного конкретного сверхпроводника. Чем больше значение λ, тем сильнее электрон-фононное взаимодействие и тем выше критическая температура. В подавляющем большинстве сверхпроводников значение λ не превышает единицу.

Однако не надо представлять себе куперовскую пару как некую «двухэлектронную молекулу» — размер этой пары в «обычных», не высокотемпературных сверхпроводниках составляет порядка 1/10 микрометра и превышает во много раз межатомные расстояния в кристалле (в ВТСП этот размер — около 1–10 нм).

Чтобы разорвать куперовскую пару на два отдельных электрона при T = 0, необходимо затратить энергию, равную 2Δ. Δ (так называемая сверхпроводящая энергетическая щель) — еще одна важная характеристика не только в теории БКШ, но и во всей теории сверхпроводимости. Δ зависит от температуры (рис. 2) и при T = Tc зануляется, что легко понять — в этот момент сверхпроводимость разрушается и для разрыва куперовской пары нет надобности затрачивать энергию.

Еще несколько важных замечаний. Теория БКШ справедлива при выполнении следующих допущений:
1) значение константы электрон-фононного взаимодействия значительно меньше 1;
2) сверхпроводники — чистые (без примесей) и бездефектные металлы со строгой периодичностью кристаллической решетки;
3) сверхпроводник изотропен (то есть его физические свойства одинаковы по всем направлениям).

В случае, когда эти условия не выполняются, работает модель БКШ с поправками Элиашберга (концепция Элиашберга), основные положения которой и были использованы в обсуждаемой статье о сверхпроводимости металлического водорода.

Авторам работы удалось рассчитать, как зависит константа электрон-фононного взаимодействия от приложенного к металлическому водороду давления (рис. 3).

Из графика видно, что λ превышает единицу и достигает максимума при давлении 450 ГПа. Максимальное значение константы электрон-фононного взаимодействия, очевидно, соответствует максимальному значению критической температуры, равной 242 К. Последующие теоретические исследования показали, что дальнейшее увеличение давления не приводит к возрастанию критической температуры (рис. 4).

Интересно, что в этой же работе авторы предполагают при не очень больших давлениях наличие трех (!) немаленьких по своему значению энергетических щелей в сверхпроводящем водороде (в сравнении с аналогичной величиной в «обычных», низкотемпературных сверхпроводниках). Это означает присутствие трех «сортов» куперовских пар, то есть имеет место трёхщелевая сверхпроводимость. В рамках данной работы удалось также посчитать, как зависят эти три энергетических щели от температуры (рис. 5). Видно, что их поведение похоже на аналогичную зависимость Δ(T) в теории БКШ.

Более того, как показали расчеты авторов, две меньшие энергетические щели должны проявлять сильную анизотропию своих численных значений (на графике размазанная желтая и синяя область). Грубо говоря, анизотропия энергетических щелей здесь означает зависимость их численного значения от направления движения куперовских пар в сверхпроводящем водороде.

В принципе, неоднощелевая сверхпроводимость уже не является чем-то экзотическим с 2001 года, когда было открыто наличие двух щелей в сверхпроводящем MgB2. Кроме того, как выяснилось позже, диборид магния обладает еще и наивысшей среди сверхпроводников с электрон-фононным механизмом образования куперовских пар критической температурой (39 К). Однако, похоже на то, что «лидерство» в экзотической сверхпроводимости перехватил металлический водород со своей трёхщелевой сверхпроводимость и с самой высокой Tc  = 242 К. Остается лишь ожидать экспериментального подтверждения или опровержения результатов данной работы.

Источник: P. Cudazzo, G. Profeta, A. Sanna, A. Floris, A. Continenza, S. Massidda, E. K. U. Gross. Ab Initio Description of High-Temperature Superconductivity in Dense Molecular Hydrogen // Physical Review Letters, 100, 257001 (2008).

Юрий Ерин

Что такое металлический водород 🚩 Наука 🚩 Другое

Металлический водород состоит из сильно сжатых ядер гидрогена. В природе такое вещество встречается внутри газовых гигантов и звезд. Водород находится на первой позиции группы щелочных металлов в Периодической таблице Менделеева. В связи с этим ученые предполагали, что он может обладать ярко выраженными металлическими свойствами. Однако это теоретически возможно только при экстремальных давлениях. Атомные ядра металлического водорода находятся так близко друг к другу, что они разделены только плотной электронной жидкостью, протекающей между ними. Это значительно меньше плотности нейтрония – теоретически существующего вещества с бесконечной плотностью. В металлическом водороде электроны сливаются с протонами, чтобы образовать новый тип частиц - нейтроны. Как и все металлы, материал способен проводить электричество. Именно при подаче тока измеряют степень металлизации такого вещества.

Этот материал был впервые синтезирован в лабораторных условиях совсем недавно - в 1996 году. Это произошло в Ливерморской национальной лаборатории. Время существования металлического водорода было очень недолгим – около одной микросекунды. Потребовались температура около тысячи градусов и давление свыше миллиона атмосфер, чтобы добиться такого эффекта. Это стало полной неожиданностью для самих экспериментаторов, так как ранее считалось, что для получения металлического водорода требуется очень низкая температура. В предыдущих экспериментах твердый водород подвергался давлению до 2500000 атмосфер. При этом заметная металлизация отсутствовала. Эксперимент по сжатию горячего водорода был произведен только для того, чтобы измерить различные свойства материала при этих условиях, а не с целью получения металлического водорода. Тем не менее, он увенчался полным успехом.

Хотя металлический водород, произведенный в Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора, и был в твердом агрегатном состоянии, появилась теория, что это вещество можно получить и в жидком виде. С помощью расчетов было установлено, что такой материал может быть сверхпроводником при комнатной температуре, хотя это свойство пока неприменимо для практических целей, так как расходы на создание давления в миллион атмосфер гораздо выше, чем количество полученного материала в денежном эквиваленте. Однако есть небольшая вероятность того, что метастабильный металлический водород может существовать в природе. По предположениям специалистов он сохраняет свои параметры даже при отсутствии давления.

Считается, что металлический водород существует в ядрах крупных газовых гигантов в нашей солнечной системе. К ним относятся Юпитер и Сатурн, а также водородная оболочка вблизи ядра Солнца

Твердый водород и нетвердые доказательства

Немного истории

Открытие имеет долгую историю и довольно любопытные и важные перспективы. В 1935 году известный физик Юджин Вигнер со своим коллегой Хиллардом Хантингтоном из Принстонского университета опубликовали в журнале (Journal of Chemical Physics, vol. 3, No. 12, 1935) статью, в которой теоретически предсказали, что при повышенном давлении до 250 тысяч атмосфер у водорода происходит фазовый переход, в результате которого появляется кристаллическая решетка и водород становится металлом.

Тридцать три года спустя, в 1968 году, Нейл Эшкрофт из Корнельского университета в своей теоретической работе (Physical Review Letters, vol. 21, 1968, p. 1748) показал, что металлический водород будет высокотемпературным сверхпроводником и критическая температура его перехода в сверхпроводящее состояние будет равняться комнатной или даже выше. Легко догадаться, какой технологический прорыв мог бы появиться, если бы ученым удалось получить металлический водород в достаточном количестве. Так возникли невероятно оптимистические перспективы технических приложений металлического водорода.

В действительности, более точные расчеты (Н.А. Кудряшов, А.А. Кутуков, Е.А. Мазур, Письма в ЖЭТФ, том 104, вып. 7, 1916, С. 488) показали, что критическая температура металлического водорода в фазе I41/AMD, той самой, которая изучалась Рангой Диас и Айзеком Сильверой при давлении в 500 миллионов атмосфер, дает величину температуры перехода в сверхпроводящее состояние 215 K, то есть –58°C.

Таким образом, начиная с 1970 годов проблема получения металлического водорода остается одной из важных, перспективных и волнующих научных тем.

Еще более привлекательной и интересной эта тема стала после того, как в работах академика Юрия Кагана и его коллег из научного центра «Курчатовский институт» (Успехи физических наук, том 105, 1971, с.77 и более поздние статьи) было установлено, что металлический водород должен иметь метастабильные свойства. Это значит, что после его получения металл будет в течение некоторого времени (возможно, достаточно продолжительного) оставаться в том состоянии, в котором он был получен. Определение времени, в котором вещество остается стабильным, — отдельная задача.

Между взрывом и наковальней

Проблема получения металлического водорода оказалась связанной с изучением поведения вещества при высоких давлениях и при низких температурах. Высокие давления в настоящее время получаются с помощью статического сжатия вещества в алмазной наковальне или при динамическом сжатии с помощью взрыва.

Получить в алмазной наковальне металлический водород не так просто. Дело в том, что оценка давления, до которого надо было сжимать водород, следовавшая из работы Вигнера и Хантингтона, оказалось намного заниженной. Кроме того, работать с водородом сложно, поскольку он хорошо растворяется во многих металлах и легко проникает в них вследствие легкости своих молекул.

При взрывном сжатии удается достигать бо́льших давлений, чем в алмазных наковальнях, но при взрывах всегда получаются высокие температуры и технологически трудно получить низкие. При этом возникает еще одна проблема, связанная с высоким давлением при взрыве. Оно быстро уменьшается после испытания, и провести его измерения за короткое время непросто. Тем не менее такие работы проводятся в некоторых отечественных и зарубежных лабораториях.

В своем интервью газете «Harward gazette» профессор Сильвера сообщил, что им удалось преодолеть все трудности эксперимента и получить наконец-то некоторое количество одной из фаз металлического водорода. Он заявил, что «это первый в мире образец металлического водорода на Земле, и, когда вы на него смотрите, вы видите то, что никто никогда не видел прежде».

Ученые потеряли единственный в мире образец металлического водорода / Habr


Алмазные наковальни в момент сближения. Они используются для достижения громадного давления, необходимого при получении металлического водорода

В прошлом месяце команда ученых из Гарвардского университета во главе с Исааком Силвера (Isaac Silvera) и Ранга Диасом (Ranga Dias) заявила о получении металлического водорода. Для перевода газа в металлическое состояние потребовалось использовать алмазные наковальни, усиленные оксидом алюминия. Благодаря этому удалось достичь огромного давления в 495 ГПа.

При этом специалисты не успели выяснить, какую форму металла они получили — твердую или жидкую. Сами они считают, что смогли получить жидкую форму металлического водорода. К сожалению, теперь выяснить этот момент не представляется возможным, поскольку один из алмазов наковальни разрушился в ходе проведения очередных измерений, а образец водорода пропал.

Возможно, этот образец просто потерялся, поскольку его размеры очень малы: диаметр составляет всего 10 микрометров. Это примерно в пять раз меньше диаметра волоса человека. Так что вполне может быть, что сейчас металлический водород лежит где-то в лаборатории и ждет, пока его найдут.

Также может быть, что после разрушения алмазной оболочки образец испарился. Теория предсказывает, что металлический водород должен быть стабильным. Но как все обстоит на самом деле, неясно. Если в этой части теория ошибается, металлический водород, полученный в лаборатории, вполне мог быть нестабильным и при снижении давления просто испариться. Неприятность произошла более недели назад, за несколько минут до упаковки алмазной наковальни для отправки в измерительную лабораторию Argonne National Laboratory, которая располагается в Чикаго.

«Он пропал. Водород либо где-то лежит, либо он снова превратился в газ. Мы не знаем», — говорит один из ученых. Он также заявил, что расстроен случившимся, но сейчас команда готовит новую наковальню, которая будет более прочной. «Мы проведем новый эксперимент для проверки того, сможем ли мы достичь того же давления, что в и первый раз, получив металлический водород», — говорит он.

В то, что группа ученых из Гарварда получила металлический водород, поверили не все специалисты. Для подтверждения этого необходимо было провести ряд тестов, которые, к сожалению, проведены не были, включая проверку электропроводности материала. Все металлы — проводники электричества, и если бы оказалось, что образец в алмазной наковальне тоже его проводит, в получении металлического водорода удалось бы убедить почти все научное сообщество. После того, как образец был утерян, в его получении стали сомневаться многие физики. Ряд ученых не были убеждены в удаче коллег из Гарварда и до инцидента, а после него скептиков стало гораздо больше.

«Статья неубедительна», — говорит о публикации коллег Поль Лубер (Paul Loubeyre), физик из французского Комиссариата по атомной энергии.


Изображение алмазных наковален, сжимающих образец молекулярного водорода. При высоком давлении водород переходит в атомарное состояние, как показано справа. Источник: Dias & Silvera, 2017

По словам Сильверы, они с коллегами как раз собирались отправить образец для обследования при помощи синхротрона в Аргоннской национальной лаборатории, это старейший национальный исследовательский центр Министерства энергетики США. Перед отправкой образца ученые решили измерить давление в алмазной наковальне еще раз, при помощи инфракрасного лазера. Но если прежде измерения такого типа проводились без проблем, то сейчас все пошло не так. «Как только мы включили лазер, алмазы разрушились. Один из них превратился в пыль», — объясняет Сильвера.

«Это одна из проблем, которые уже случались в других командах, но мы считали, что нас это не коснется. Мы уже проводили измерения прежде, но, как видим, что-то со временем изменилось. Вероятно, в алмазах появились дефекты, возможно, это была диффузия водорода. Мы не знаем, что случилось», — заявил Сильвера.

В то же время, он уверен, что может получить больше металлического водорода — если не в следующем эксперименте, то очень скоро. Кроме того, ученый уверен, что повторение эксперимента убедит некоторых скептиков.

«То, что образец исчез, ничего не говорит о валидности образца. Каждый, кто работает с высоким давлением, знает, что время от времени подобное случается. Важно то, что мы провели измерения отражательной способности образца, это надежно», — говорит физик. — «Поэтому случившееся не катастрофа, мы просто разочарованы из-за того, что не можем больше проводить измерения образца».

«Скептики будут всегда, мой им совет — попробовать повторить эксперимент — мы показали все, что мы делаем с высоким давлением, получив в лаборатории металлический водород, поэтому и другие команды смогут сделать это», — считает Сильвера. — «Это научный метод и это лучше, чем просто подвергать сомнению наши результаты».

На следующем этапе ученые собираются использовать синтетические алмазы другого типа, которые, предположительно, будут более стабильными. По их словам, из случившегося сделаны выводы, поэтому образец не будет находиться в лаборатории так долго, его отправят на изучение практически сразу.

«Это может случиться, если держать образец слишком долгое время, тогда его целостность каким-либо образом может быть нарушена, так что следующий раз, после достижения высокого давления, мы проведем измерения так быстро, как только сможем», — говорят ученые.

МЕТАЛЛИЧЕСКИЙ ВОДОРОД - это... Что такое МЕТАЛЛИЧЕСКИЙ ВОДОРОД?

- совокупность фаз высокого давления водорода, обладающих металлич. свойствами. Возможность перехода водорода в металлич. фазу была впервые теоретически рассмотрена Ю. Вигнером и X. Б. Хантингтоном в 1935 [I]-^B дальнейшем по мере развития методов электронной теории металлов ур-ние состояния металлич. фаз водорода исследовалось теоретически. На рис. 1 приведена фазовая диаграмма, полученная путём синтеза результатов этих расчётов с эксперим. и теоретич. данными по ур-нию состояния молекулярного водорода [2]. При атм. давлении и низких темп-pax водород существует в виде диэлектрич. молекулярного кристалла, при повышении давления происходит переход в кри-сталлич. металлич. состояние. При этом в зависимости от темп-ры возможны 3 фазы M. в. При темп-ре T =0 К и давлении r =300-100 ГПа металлизация сопровождается перестройкой кристаллич. структуры, диссоциацией молекул H2 и металлич. кристалл становится атомарным [3]. При T >10 К возможна металлизация с сохранением структуры молекулярного кристалла (пунктир; металлизация такого типа ранее наблюдалась в иоде). При дальнейшем повышении давления или темп-ры наступает плавление металлич. фазы и образуется жидкий атомарный M. в.


Рис. I. Диаграмма состояния водорода.

Водород в металлич. фазе содержится в недрах планет-гигантов Юпитера и Сатурна. Согласно совр. моделям, на Юпитере водород в молекулярной фазе присутствует только до глубин порядка 0,22 радиуса планеты [2]. На большей глубине водород в смеси с Не образует жидкую металлич. фазу (рис. 2, [4]).

Сообщалось о получении M. в. в экспериментах по ударному сжатию и по сжатию в алмазных наковальнях [5], однако надёжных эксперим. данных о давлении перехода и ур-нии металлич. фазы пока нет.

Важность получения M. в. связана с тем, что в нём должен сочетаться ряд уникальных свойств. Во-первых, из-за малой массы атомов аномально велика Де-бая температура Как следствие этого, темп-ра сверхпроводящего перехода Т с в твёрдой фазе при давлении порядка давления металлизации должна превышать 200 К, что значительно выше, чем у всех известных сверхпроводников, т. к..

Во-вторых, M. в. может существовать в виде квантовой жидкости. Малая масса атомов водорода приводит к большой величине амплитуды нулевых колебаний атомов, благодаря чему даже при T =0 К может не происходить кристаллизация. В противоположность известным квантовым жидкостям (3He и 4He) плавление кристаллич. M. в. наступает при возрастании давления. Надёжных расчётных данных о структуре и кривой плавления металлич. фазы пока нет. Согласно нек-рым расчётам, давление, при к-ром происходит плавление при T =0 К, порядка давления, необходимого для металлизации, т. е. в этом случае твёрдой фазы H может не быть.

При снятии давления и обратном переходе из металлич. фазы в диэлектрическую выделяется энергия ~290 МДж/кг, что в неск. раз выше, чем даёт любой известный вид топлива. Перспективы практич. использования M. в. в качестве аккумулятора энергии зависят от того, какие условия требуются для осуществления метастабильной металлич. фазы при частичном снятии внеш. давления и каково её время жизни. Кроме протия 1H металлизация может происходить в кристаллах дейтерия 2H и трития 3H, с той лишь разницей, что квантовые свойства этих кристаллов выражены слабее, а темп-pa сверхпроводящего перехода Т с в них ниже.

Лит.:1) Wignе г E., Hиntingtоn H. В., On the possibility of a metallic modification of hydrogen, "J. Chem. Phys.", 1935, v. 3, p. 746; 2) Stevensоn D. J., Interiors of giant planets, "Ann. Rev. Earth Planet. Sci.", 1982, v. 10, p. 257; 3) Каган Ю.,Пушкарев В., Xолас А., Уравнение состояния металлической фазы водорода, "ШЭТФ", 1977, т. 73, с. 967; 4) Ж а р к о в В. H., Внутреннее строение Земли и планет, 2 изд., M., 1983, гл. 10; 5) Григорьев Ф. В. и др., Экспериментальное определение сжимаемости водорода при плотностях 0,5+ 2 г/см 3, "Письма в ЖЭТФ", 1972, т. 16, с. 286; 6) Ross M., Matter under extreme conditions of temperature and pressure, "Repts Progr. Phys.", 1985, v. 48, p. 1; 7) Min B. I., Jansen H. J. F., Freeman A., Structural properties superconductivity and magnetism of metallic hydrogen, "Phys. Rev. B", 1984, V. 30, № 9, p. 5076. В. В. Авилов.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.

Смотрите также