Металлический водород

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.

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.

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[6][7]. В других работах Е. Бабаев предполагает, что металлический водород может представлять собой металлическую сверхтекучую жидкость[8][9].

В 1968 году Нейл Ашкрофт предположил, что металлический водород может обладать сверхпроводимостью при сравнительно высоких температурах[10].

Более точные расчёты[11] (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[4] 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.

Под руководством академика Л. Ф. Верещагина впервые в мире был получен металлический водород, сообщение об этом было опубликовано в 1975 году[3]. Опыт осуществлялся с помощью алмазных наковален. Опыт был повторен неоднократно, при высоких давлениях (при 304 ГПа) и низких температурах (до 4,2 К) водород приобретал электропроводность (уменьшалось сопротивление не менее в 1 млн раз) при нагреве образца и понижении давления водород принимал прежние свойства.

В 1996 году Ливерморская национальная лаборатория сообщила, что в ходе исследований были созданы условия для металлизации водорода и получены первые свидетельства его возможного существования[12]. Кратковременно (около 1 мс) было достигнуто давление более 100 ГПа (${\displaystyle 10^{6}}$ атм.), температура порядка тысяч кельвинов при плотности вещества около 600 кг/м³[13]. 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 ${\displaystyle kT}$, соответствующей 3000 К и что свидетельствует о переходе «полупроводник — металл».

Продолжались попытки перевести водород в металлическое состояние статическим сдавливанием при низких температурах. А. Руофф и Ч. Нараяна (Корнеллский университет, 1998)[14], П. Лоувьер и Р. Летуле (2002) последовательно приближались к давлениям, наблюдаемым в центре Земли (324—345 ГПа), но все же не наблюдали фазового перехода.

Теоретически предсказанный максимум кривой плавления на фазовой диаграмме, указывающий на жидкую металлическую фазу водорода, был экспериментально обнаружен Ш. Деемьяд и И. Сильвера[15]. Группа М. Ереметца заявила о переходе силана в металлическое состояние и проявление сверхпроводимости[16], но результаты не были повторены[17][18].

В 2011 году было сообщено о наблюдении жидкой металлической фазы водорода и дейтерия при статическом давлении 260—300 ГПа[19], что вновь вызвало вопросы в научном сообществе[20].

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[21].

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[22].

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[23].

Научное сообщество скептически отнеслось к данной новости[24], ожидая повторного эксперимента[25].

В августе 2018 года ученые объявили о наблюдения быстрого перехода жидкого дейтерия в металлическую форму при температуре ниже 200 К. Обнаружено замечательное согласие между экспериментальными данными и теоретическими предсказаниями, основанными на моделировании посредством квантового метода Монте-Карло, который считается наиболее точным методом на сегодняшний день. Это может помочь исследователям лучше понять внутреннее строение газовых гигантов, таких как Юпитер, Сатурн и разнообразных экзопланет за пределами солнечной системы[26][27].

В январе 2020 года французские физики подтвердили условия существования металлического водорода, как показали их опыты, переход водорода в металлическое состояние происходит при давлении 4,18 млн. атмосфер[28][29].