Как сделать металлический водород

Обновлено: 07.07.2024

Физики Гарвардского университета впервые получили металлический водород. Подтверждение научного прорыва — наблюдение фазового перехода Вигнера-Хантингтона, утверждается в статье в журнале Science.

Теоретическая основа

При крайне высоких давлениях водород претерпевает фазовый переход. После этого коллективы атомов вещества начинают проявлять металлические свойства. Они обладают высокой удельной теплотой фазового перехода и высокотемпературной сверхпроводимостью.

Это явление обосновали в 1935 году Юджин Вигнер и Белл Хантингтон. Они утверждали, что при комнатной температуре водород перейдет в металлическую форму при давлении 25 ГПа и станет проявлять свойства сверхпроводника.

Это некий принципиальный момент, связанный с обоснованием методов, которые описывают состояние материи. Металлический водород – практически идеальный металл. Во-вторых, еще в 70-х установили, что металлический водород теоретически метастабилен, должен терять проводимость и проводить ток без сопротивления. Тогда же, в разгар гонки вооружений, возникла тема нового оружия. Речь шла о нейтронной бомбе. Металлический водород был бы идеальной защитой от такого оружия – им собирались даже танки покрывать. Все это подхлестывало интерес, выделялись деньги на исследования.

Сотрудники Ливерморской национальной лаборатории в 1996 году заявили, что получили свидетельства его возможного получения. Предположительно, металлический водород просуществовал в течение 1 микросекунды. Однако явления фазового перехода специалисты тогда не наблюдали, да и опыт ставили не с целью получить металлический водород, а чтобы исследовать свойства образца под давлением 100 ГПа.

Первый на планете

Физики Гарвардского университета профессор естественных наук Томас Д. Кабот, Исаак Сильвера и сотрудник докторантуры Ранга Диас как раз наблюдали явление фазового перехода, которое свидетельствует о получении металлического водорода. Атомарный водород из жидкой фазы перешел в твердую при давлении до 495 ГПа температуре 5,5 К в алмазной наковальне - между остриями искусственных алмазов.

Водород из состояния прозрачного, как стекло, преобразовался в состояние блестящего металла, подобно меди или золоту отражающего свет. Переход в твердую фазу подтвердил спектроскопический анализ.

Сильвера прогнозирует, что после снятия давления металлический водород в новых экспериментах будет оставаться метастабильным. Аналогичным образом алмазы образуются из графита.

Состояния водорода: прозрачный водород - диэлектрик, черный водород - полупроводник, атомарный металлический водород

Ученый рассказал и о перспективах использования материала – комментарий Сильверы приводит EurekAlert!:

Необходимо огромное количество энергии, чтобы сделать металлический водород. И если вы преобразуете его обратно в молекулярный водород, энергия высвобождается, так что это сделало бы его самым мощным ракетным топливом, известным человеку, и может революционизировать ракетную отрасль.

Кроме того, металлический водород может быть использован как сверхпроводник.

Впрочем, эксперты отмечают, что прямых экспериментальных свидетельств существования металлического водорода физики не получили. Предположительно металлический водород существует между ядром и атмосферой Сатурна и Юпитера. Однако и это пока не доказано.

Эксперименты по его обнаружению ставились и в нашем институте. Но результатов, которые заслуживали бы доверия, не получилось. Это очень сложно, когда сам размер образца – одна сотая миллиметра. Более того: до сегодняшнего момента об обнаружении металлического водорода заявляли неоднократно. Но после всегда находились контрдоводы. Если сейчас окажется, что результаты верны (а это вполне возможно, так как тонкость эксперимента невероятна), то это открытие действительно уровня Нобелевской премии.

Некоторые привычные вещи, наблюдаемые в нашем мире, претерпевают радикальные изменения в недрах таких газовых гигантов, как Юпитер.

Газообразный водород, оказавшись в условиях гигантского давления, меняется до такой степени, что приобретает металлические свойства.

Ученые давно мечтают получить металлический водород, так как область его применения будет невероятно обширной если не бесконечной.

На данный момент известен единственный способ создания металлического водорода: атомы водорода необходимо сжимать алмазной "наковальней" до тех пор, пока свойства газа не начнут радикально меняться.

На уровне теории этот процесс был отработан еще 80 лет назад, но до недавнего времени на практике ничего не выходило.

Команде французских ученых, которую возглавили Пол Дюма, Пол Лубейр и Флорент Очелли, вероятно, все же удалось получить металлический водород в лабораторных условиях .

Естественно, без скептицизма никуда, но большинство ученых все же считают, что прорыв был достигнут.

В том, что водород приобретает металлические свойства, нет ничего удивительного.

Любой изолирующий материал (например, кислород) тоже обретет металлические свойства, оказавшись под огромным давлением.

Была собрана "наковальня", где в этот раз алмазные наконечники имели тороидальную форму (визуально это похоже на баранку), а не плоскую, как в прошлых экспериментах. Это позволило команде исследователей преодолеть рекорд, установленных другими учеными (400 ГПа), достигнув 600 ГПа.

Современный инфракрасный спектрометр, размещенный на рабочей установке Synchrotron SOLEIL, помогал беспрецедентно точно снимать показания.

Когда образец водорода оказался под давлением в 425 ГПа, а температура было понижена до -193 градусов по Цельсию, то он стал поглощать инфракрасное излучение, ознаменовав этим фазовый переход.

На авторов эксперимента посыпался шквал критики по той причине, что предыдущие заявления других ученых о создании металлического водорода в лаборатоных услвоиях оказывались ошибочными.

На защиту французских ученых встал Мэддери Сомаязулу, доцент Аргоннской национальной лаборатории, который в интервью интернет-изданию Gizmodo сказал:

"Было совершено открытие, достойное Нобелевской премии. Когда случается прорыв, то критика представляет собой адекватную реакцию научного сообщества. Вероятно, что перед нами одно из наиболее всеобъемлющих исследований водорода".

Сомаязулу отметил, что он лично знаком с авторами исследования и не сомневается в их компетентности.

"Пол Дюма - крайне последовательный и осторожный в заявлениях ученый", - сказал Сомаязулу.

Поддержал авторов открытия и физик Александр Гончаров, являющийся штатным сотрудником Института Карнеги. В 2017 году он раскритиковал другую команду исследователей, которые уверяли всех в достигнутом результате. Сейчас же он, как и Мэддери Сомаязулу, уверен в открытии.

"Я думаю, что перед нами убедительные доказательства и металлический водород был получен. Имеются некоторые неточности, но последующие эксперименты это исправят", - сказал Гончаров в интервью Gizmodo.

Зачем нужен металлический водород?

Он обладает сверхпроводящими свойствами при комнатной температуре и является метастабильным (сохраняет свойства после нормализации давления). Это приведет к электро-технической революции.

Будем надеяться, что последующие эксперименты подтвердят успех французских ученых и цивилизованный мир сделает шаг в новую эпоху.

Водород сжимали, но в металл он никак не превращался. Теоретики даже засомневались, а не ошиблись ли они в расчетах.

И вот сенсация: на днях стало известно, что Исаак Сильвера (Isaac Silvera) из Гарвардского университета и его аспирант Ранга Диас (Ranga Dias) наконец-то получили небывалую субстанцию. О чем проинформировал авторитетный научный журнал Science.

- Для физиков это все равно, что святой Грааль для верующих, - заявил Сильвера. – Это первый образец металлического водорода на Земле — то, что прежде никогда здесь не существовало.

Ученые использовали так называемую ячейку с алмазными наковальнями — установку с крошечной камерой. Вещество, помещенное внутрь сжимают два усеченных алмазных конуса, которые упираются друг в друга. Давление в месте соприкосновения становится чудовищным.

Теперь Сильвере и Диасу предстоит убедить коллег, что их водород действительно стал металлическим. А коллегам надо будет повторить эксперимент. Только тогда его признает научное сообщество.

Экзотическому веществу прочат светлое будущее. Металлический водород должен демонстрировать сверхпроводящие свойства даже при высоких температурах. Ток по проводам из него двигался бы без сопротивления, что в масштабах планеты дало бы колоссальную экономию электричества.

Из металлического водорода получились бы накопители электроэнергии — лучше любых аккумуляторов. Такие позволили бы создать даже левитирующие автомобили.

И наконец, металлический водород — это идеальное топливо для космических кораблей. Оно более, чем в четыре раза эффективнее любого другого. Разве что антивещество может с ним сравниться.

КОММЕНТАРИЙ СПЕЦИАЛИСТА

Пусть попробуют доказать

- Многие физики высказывают сомнения в том, что же на самом деле получили Сильвера и Диас, - комментирует открытие Артем Оганов, профессор Сколтеха, МФТИ, Университета Штата Нью-Йорк, специалист по физике и химии высоких давлений. - Но лично мне их результаты кажутся очень правдоподобными. Внутренних противоречий в работе я не увидел. Вопрос в том, как доказать, что полученная фаза обладает металлическими свойствами. Самое прямое доказательство — измерение электропроводности или отражающей способности. Но это еще предстоит сделать.

Идут споры о том, сохранит ли водород металлические свойства при снятии давления. Думаю, что шансы тут минимальные. Какие-то материалы, например, алмазы, сохраняются при снятии давления. А какие-то переходят в другие состояния. И с водородом может такое случиться. Потому, увы, я сомневаюсь на счет практического применения этого крайне любопытного материала.

Аудио: Ученые открыли металлический водород

Возрастная категория сайта 18 +

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.)

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 T_c 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 T_c 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.

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 = T_c зануляется, что легко понять — в этот момент сверхпроводимость разрушается и для разрыва куперовской пары нет надобности затрачивать энергию.

Рис. 3. Зависимость константы электрон-фононного взаимодействия металлического водорода от приложенного к нему давления. Изображение из обсуждаемой статьи в Phys. Rev. Lett.

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).

Рис. 4. Зависимость критической температуры металлического водорода от давления. Максимум в 242 К достигается при давлении 450 ГПа. Изображение из обсуждаемой статьи в Phys. Rev. Lett.

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).

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.

Рис. 5. Зависимость энергетических щелей сверхпроводящего металлического водорода при давлении 414 ГПа от температуры. Размазанные цветные области означают анизотропию энергетической щели, исчезающую в области T_c (см. пояснения в тексте). Изображение из обсуждаемой статьи в Phys. Rev. Lett.

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).

Читайте также: