Металлический водород что это такое
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).
Металлический водород
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.
Содержание
История исследований
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
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
Полезное
Смотреть что такое «Металлический водород» в других словарях:
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… … Физическая энциклопедия
Твёрдый водород — твёрдое агрегатное состояние водорода с температурой плавления −259,2 °C (14,16 К), плотностью 0,08667 г/см³ (при −262 °C). Белая снегоподобная масса, кристаллы гексагональной сингонии, пространственная группа P6/mmc, параметры ячейки a = 0,378… … Википедия
Юпитер — У этого термина существуют и другие значения, см. Юпитер (значения). Юпитер … Википедия
Юпитер — I Юпитер в древнеримской мифологии и религии верховное божество. Первоначально бог света, в том числе ночного, исходящего от Луны. Почитался также как бог грома и молнии (отсюда объектами поклонения считались предметы, пораженные молнией … Большая советская энциклопедия
Уран (планета) — Уран … Википедия
Исследования Урана — Уран Фотография Урана с аппарата «Вояджер 2». Сведения об открытии Дата открытия 13 марта 1781 Первооткрыватель … Википедия
Юпитер (планета) — У этого термина существуют и другие значения, см. Юпитер. Юпитер Улучшенное изображен … Википедия
«Практическое использование металлического водорода следует отнести к научной фантастике»
Исследователи из Гарвардского университета сообщили о получении — под давлением около 5 млн атмосфер — водорода в металлическом состоянии. Научный руководитель Института физики высоких давлений РАН, академик Сергей Стишов рассказывает об истории и перспективах металлического водорода.
Водород обычно встречается в молекулярном виде, то есть в виде молекул, состоящих из двух протонов и двух электронов. Однако, если расщепить молекулу, то получится атомарный водород, состоящий из одного протона и одного электрона и представляющий собой полный аналог щелочных металлов. При атмосферном давлении атомарный водород неустойчив и быстро переходит в молекулярную форму. Однако в тридцатых годах прошлого века британский ученый Джон Бернал, известный борец за мир и автор оригинальных научных идей (например, о структуре жидкостей, об оливин-шпинелевом переходе в недрах Земли), предположил, что атомарный водород может оказаться стабильным при высоких давлениях. Эта идея привлекла внимание теоретиков Вигнера и Хантингтона, которые и произвели соответствующие расчеты в 1935 году. Гипотеза Бернала нашла подтверждение — согласно указанным расчетам, молекулярный водород переходит в атомарную металлическую фазу при высоких давлениях порядка 250 тыс. атмосфер со значительным увеличением плотности (в свете современных исследований приведенная оценка выглядит весьма приближенной).
Однако с тех пор долгое время проблема металлического водорода не находилась в центре внимания исследователей в области физики высоких давлений. Следует лишь упомянуть теоретические работы А. А. Абрикосова (ныне нобелевского лауреата) и В. П. Трубицына, выполненные в 1950-х годах прошлого столетия и посвященные строению водородных планет: Юпитера и Сатурна.
Взрыв интереса к проблеме произошел в 1968 году, когда американский физик Нил Ашкрофт опубликовал статью, в которой доказывал, что полученный при высоком давлении атомный металлический водород может при атмосферном давлении оставаться стабильным. Но главное, Ашкрофт показал, что металлический водород может обладать сверхпроводимостью при комнатной температуре. Вот это и явилось главной мотивацией для дальнейших исследований. Действительно, получение материала со сверхпроводимостью при комнатной температуре означало бы переворот в энергетике.
Несколько экспериментальных групп объявили о своих намерениях заняться получением металлического водорода. Одними из первых заявила о себе группа Нила Ашкрофта и Артура Руоффа из Корнелльского университета (США). В интервью, напечатанном в Physics Today в начале 1970-х, они заявили, что при наличии финансирования сделают металлический водород в течение года.
Нужно сказать, в это время уже было ясно, что для получения металлического водорода потребуется давление не менее миллиона атмосфер. И никто не знал, как получить этот миллион. Руофф в Корнелле строил громадный многопуансонный аппарат, с помощью которого, как оказалось, нельзя было получить необходимое давление. Другие группы в США и России стали готовить аппаратуру для измерения уравнения состояния и кривой плавления молекулярной фазы. В Институте физики высоких давлений (ИФВД) АН СССР стали думать, как приспособить имевшийся громадный пресс усилием 50 тыс. тонн для поисков металлического водорода. Теоретики стали еще и еще раз вычислять давление перехода водорода в металлическое состояние, температуру его сверхпроводящего перехода, анализировать свойства метастабильной фазы металлического водорода (Е. Г. Бровман и Ю. Каган). В. Л. Гинзбург (будущий нобелевский лауреат) — апологет сверхпроводимости во всех ее проявлениях и автор основополагающей работы в этой области (знаменитое уравнение Гинзбурга — Ландау) — был настолько увлечен перспективой получения комнатной сверхпроводимости, что объявил проблему металлического водорода одной из важнейших проблем физики твердого тела. Словом, работа началась.
Одновременно в ненаучной прессе появились фантастические прогнозы. Например, что из металлического водорода можно будет делать легчайшие пуленепробиваемые жакеты или детали космических ракет, которые можно будет использовать как топливо. Ученые особенно не протестовали против подобных измышлений, а порой и сами пускали их в оборот, поскольку это помогало получить финансирование.
Так или иначе, проблема металлического водорода, потенциально обладающего чудодейственными свойствами, приобрела в 1970-х годах вполне тотальный и даже государственный характер. Для подтверждения сказанному расскажу небольшую историю. В 1977 году я посетил несколько университетских и национальных лабораторий США, среди них была и Аргоннская национальная лаборатория, где я общался с одним из ее сотрудников, Джимом Иогерсоном. Спустя несколько лет Джим при встрече рассказал мне, что после моего визита в Аргонн к нему заявились представители секретных служб, стараясь выяснить, правда ли, что академик Л. Ф. Верещагин погиб в результате взрыва полученного в его институте (ИФВД) металлического водорода (Л. Ф. Верещагин скончался в 1977 году незадолго до моего визита в США, по причинам, никак не связанным с водородной тематикой). Это история показывает, что государственная машина США следила за ситуацией и принимала всерьез самые нелепые выдумки. Кроме того, государственные люди США, подогретые прессой и учеными, опасались, что металлический водород будет впервые получен в СССР. Большой пресс ИФВД не давал им покоя.
Тем не менее реального продвижения на пути к достижению миллионных давлений не было до тех пор, пока Питер Белл и Дейв Мао из Геофизической лаборатории (Вашингтон, США) не заявили в 1977 году о достижении 1,7 млн атмосфер в миниатюрном устройстве (алмазных наковальнях), давление в котором создается с помощью двух алмазов. Лед тронулся. Начались реальные исследования водорода. Однако с течением времени выяснилось, что действенных игроков всего трое. Это Артур Руофф из Корнелла, Рассел Хемли и Дейв Мао из Геофизической лаборатории и сегодняшний герой Айк Сильвера (Isaac Silvera) из Гарварда (все из США). Айк получил признание за работы по стабилизации атомарного водорода осаждением на подложку, порытую сверхтекучим гелием, проведенные во время его пребывания в Голландии.
Алмазные наковальни позволяют получать давление до 5 млн атмосфер, но в очень маленьком образце — микронных размеров
За годы исследований было получено много экспериментальных данных в условиях высоких статических и динамических давлений. Билл Неллис из Ливерморской лаборатории (США) утверждал, что жидкий дейтерий (изотоп водорода) переходит в металлическую жидкость при высоких давлениях и температурах, создаваемых сильными ударными волнами. Совершенствуя технику эксперимента, исследователи шаг за шагом приблизились к давлениям, царящим в центре Земли (около 4,5 млн атмосфер). Однако водород упорно не хотел металлизоваться. Исследователи обратились к соединениям водорода и жидкому водороду, было получено много интересных результатов, но твердый водород оставался непреклонным.
И наконец, в январе этого года Айк Сильвера публикует в журнале Science сообщение о получении металлического водорода при давлении около 5 млн атмосфер. Это утверждение мгновенно подверглось критике со стороны конкурирующих исследователей (Е. Григорьянц, Эдинбург; М. Еремец, Майнц), хотя было поддержано отцом всей этой деятельности Нилом Ашкрофтом.
Как бы ни сложилась ситуация дальше, ясно, металлический водород получен — или будет получен. Но важно знать, что количество вещества, получаемое в алмазных наковальнях, можно уместить на острие тонкой швейной иглы. По этой причине всякие проекты, связанные с практическим использованием металлического водорода, следует отнести к научно-фантастическому жанру.
Твердый водород и нетвердые доказательства
Визуализация металлического водорода
Гарвардские физики заявили, что получили в лабораторных условиях твердый металлический водород. Является ли это важнейшим прорывом в науке или ученые просто выдали желаемый результат за действительный? Есть ли основания сомневаться в открытии, или скептики просто завидуют? Indicator.Ru выясняет вместе с профессором РАН, профессором Сколковского института науки и технологий Артемом Огановым и профессором НИЯУ «МИФИ», доктором физико-математических наук Николаем Кудряшовым.
В журнале Science была опубликована работа, в которой авторы заявляют о первом успешном получении водорода в фазе твердого металлического вещества. Сами ученые называют свое достижение ни много ни мало «Святым Граалем физики высокого давления».
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».
Полученные учеными изображения того, как газообразный водород (слева) переходит в твердую металлическую форму (справа)
R. Dias, I. F. Silvera
Основной трудностью при подготовке и проведении эксперимента Диаса и Сильверы явилось достижение высокого давления при сжатии водорода в алмазной наковальне без разрушения алмазов. Исследователи использовали два небольших синтетических алмаза с уникально обработанными поверхностями, установленными в алмазной ячейке. Поверхности соприкосновения с водородом, покрывались тонким слоем оксида алюминия с целью предотвращения процесса диффузии в кристаллическую структуру. В результате исследователи получили сверхэкстремальное давление, равное 495 миллионам атмосфер, и сверхнизкую температуру, равную 3 K.
Вначале материал в алмазной наковальне имел блестящую поверхность, но «с ростом давления материал стал черным, и мы полагаем, что это произошло потому, что он стал полупроводником, способным поглощать свет, — сказал профессор Сильвера. — Затем мы еще больше увеличили давление, и материал стал блестящим. Отражательная способность его была чрезвычайно высокой, около 90%. Это примерно равно отражающей способности полированного алюминия».
Профессор Дэвид Кэперли из Университета штата Иллинойс, не принимавший участия в исследовании, считает, что «в случае подтверждения этого открытия будет положен конец поискам, продолжавшимся не одно десятилетие. Это открытие может стать новым значительным шагом в понимании самого распространенного элемента во Вселенной».
Мнение эксперта
Корреспондент Indicator.Ru поговорил об открытии с профессором Сколковского института науки и технологий, профессором и заведующим лабораторией компьютерного дизайна материалов в Университете штата Нью-Йорк в Стоуни-Брук, профессором РАН, специалистом по физике и химии высоких давлений Артемом Огановым.
— Действительное ли это самое первое свидетельство получения твердого металлического водорода?
— Похоже на правду. Однако нужно сохранять здоровую долю осторожности. Все вещества при давлении должны металлизоваться, но у каждого вещества это давление свое. Рано или поздно будет достигнуто давление, при котором водород станет металлом. Было по меньшей мере две работы, в которых объявлялось о синтезе твердого металлического водорода, но поддержки всего научного сообщества ни то, ни другое сообщение не получило. В этот раз похоже, что работа группы Айзека Сильверы такую поддержку получает, хотя скептицизм остается.
Айзек Сильвера к этой цели стремился всю свою жизнь. Он получил PhD еще в 1965 году, все время занимался водородом и попытками получения его в металлической фазе. И мне кажется замечательным событием, что в завершении карьеры ему, похоже, удалось достигнуть этой цели.
Результаты этой работы свидетельствуют, что водород, как и любое другое вещество, при достаточном сжатии превращается в металл, подтверждая ожидания физиков. Для металлического водорода предсказываются очень интересные свойства, например сверхпроводимость при почти комнатных температурах. Но надо сказать, что предположения о наличии сверхпроводимости в металлическом водороде были многочисленны и предсказываемая ими температура сверхпроводящего перехода существенно разнилась. Самая надежная оценка была сделана несколько лет назад в работе группы Гросса — 240 K (-33°C).
— Водород образует много различных фаз при низких температурах и высоких давлениях: твердое вещество из молекул, промежуточное фаза полупроводника и другие. Твердое металлическое состояние — это последняя фаза, которую до этого не удавалось получить, или у водорода есть еще специфические модификации?
— Поведение водорода очень сложное, поэтому трудно сказать. К тому же постоянно открывают новые разновидности. Совсем недавно, например, было открыто состояние, в котором графеноподобные слои перемежаются с молекулами H2 — достаточно необычный вариант, также существующий только при высоких давлениях. Я думаю, последнее слово в этой области еще не сказано. Даже в уже достигнутом диапазоне давлений и температур много может быть открыто.
Фазовая диаграмма водорода очень сильно осложняется дополнительными эффектами. Во-первых, очень большую роль могут играть квантовые эффекты нулевых колебаний атомов — это следствие принципа неопределенности приводит к тому, что атомы и при абсолютном нуле не находятся в покое, и этот эффект максимален для легких элементов вроде водорода. Во-вторых, ситуация с водородом осложняется влиянием различных изотопов. У протия, дейтерия и трития и их смесей в различных пропорциях будут очень непохожие давления переходов, не исключены и различные фазы. Кроме того, ядро водорода обладает спином, поэтому могут появиться дополнительные состояния, связанные с взаимной ориентацией спинов (параводород и ортоводород). Кстати, именно Айк Сильвера внес очень большой вклад в понимание влияния ядерных спиновых эффектов на фазовую диаграмму. В целом можно сказать, что водород — элемент очень непростой.
— Некоторые специалисты не спешат признавать эти результаты как окончательное подтверждение получения твердой металлической фазы. Как вы считаете, измерение какой физической величины полностью может развеять сомнение?
— Полученное вещество, несомненно, является твердым, так как для водорода известна кривая плавления. Вопрос в том, обладает ли оно металлическими свойствами. Самое прямое доказательство — измерение электропроводности или отражающей способности.