Французские ученые утверждают, что зафиксировали переход водорода в металлическое состояние — для этого они поместили его под давление большее, чем в ядре Земли. Публикации о подобных результатах уже появлялись раньше, однако еще ни одна группа ученых не смогла подтвердить своих результатов.

Металлический водород, то есть такой, который ведет себя как проводник, предположительно может существовать в недрах планет-гигантов — например, Юпитера или Сатурна. Однако ученые давно хотели получить его и на Земле — об этом еще в 1935 году писали Юджин Вигнер и Хиллард Хантингтон. Достичь этого экспериментально пока никому не удалось. Металлическому водороду предсказывают множество крайне многообещающих свойств — от достижения состояния сверхпроводимости при комнатной температуре до способности хранить энергию с невероятной плотностью благодаря высокой удельной теплоте фазового перехода. Полученное таким образом вещество потенциально можно применять в очень многих областях человеческой деятельности.

Вигнер и Хантингтон предсказывали: металлический водород можно будет получить при давлении 25 ГПа. Цифры современных экспериментов оказались значительно больше: Михаил Еремец и Иван Троян в 2011 году писали о том, что им удалось «дожать» водород до нужного состояния при давлении выше 220 ГПа, то есть в 2 миллиона раз больше атмосферного (100 кПа). Диасу и Сильвейре в 2017 году говорили о том же, но уже о 495 ГПа. Теперь французские ученые опубликовали препринт статьи с отчетом об аналогичном достижении: им это удалось сделать при давлении в 425 ГПа.

Физики учли опыт как своих предыдущих исследований, так и работ коллег. В частности, чтобы преодолеть давление в 400 ГПа, которым были ограничены ячейки с алмазными наковальнями (diamond anvil cell, DAC), авторы новой работы воспользовались их модифицированной версией — тороидальными ячейками (T-DAC). Благодаря форме наконечника наковальни предел давления, которые могут выдержать подобные устройства, повышается до 600 ГПа. Кроме того, они лучше переносят переход от очень большого давления к меньшим, в отличие, например, от наковальни, которую использовали Диас и Сильвейра. Тогда ученые, кстати, лишились полученного ими образца металлического водорода после того, как одна из наковален рассыпалась в пыль во время попытки измерить давление. Что стало с образцом, неясно до сих пор — то ли он затерялся среди мельчайших осколков наковальни, то ли просто испарился, превратившись обратно в газ, то ли его на самом деле и не было.

Тороидальная часть алмазной наковальни. Диаметр видных на снимке кольцевых трещин составляет около 150 микрон
Paul Loubeyre et al./ arXiv

Чтобы получить металлический водород, французские ученые сначала сжижали газообразный водород до твердого (но не металлического) состояния — давление при этом достигало 310 ГПа. Затем они стали повышать давление. Чтобы понять, произошел ли фазовый переход, физики воздействовали на образец инфракрасным излучением, которое производил спектромикроскоп SMIS — одна из экспериментальных установок располагающегося около Парижа синхротрона SOLEIL.

С помощью специально сконструированного горизонтального инфракрасного микроскопа исследователи затем анализировали, сколько излучения поглощает помещенный между наковальнями образец. Момент, когда он начнет поглощать все излучение, означал бы, что запрещенная зона закрылась и фазовый переход произошел. Запрещенной зоной называют диапазон значений энергии, которыми не может обладать электрон в идеальном кристалле. У диэлектриков она составляет 4-5 эВ, для полупроводников — 3-4, у металлов же такой зоны нет вовсе.

Если верить французам, в их эксперименте запрещенная зона закрылась тогда, когда показатели давления и температуры достигли 425 ГПа и около 80 кельвинов.

Снимки образца водорода, сделанные при разных значениях давления — 315, 427 и 300 ГПа. Во втором случае видно, что образец твердого водорода стал непрозрачным, то есть запрещенная зона закрылась
Paul Loubeyre et al. / arXiv

Ученые отмечают, что металлический водород, согласно расчетам, должен наблюдаться при давлении выше 447 ГПа, но они не смогли этого сделать из-за ограничений, которые накладывало инфракрасное излучение.

Стоит отметить, что, несмотря на потенциально важный результат, работа физиков еще не проходила процедуры рецензирования ни в одном научном журнале. В беседе с изданием Gizmodo коллеги авторов в целом положительно оценили их работу, однако все же отмечают, что ничего определенного по ее поводу сказать нельзя и нужно ждать результатов независимой оценки.

источник