Твёрдый металлический водород. Наконец-то!

Физики из Гарвардского университета впервые синтезировали металлический водород. Чтобы добиться этого, ученые сжали водород в алмазной наковальне под давлением почти в 5 млн атм и охладили до 5,5 К. Теоретики предсказывают, что материал может оказаться комнатно-температурным 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.

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 тыс. атм 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 млн атм — 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 млн атм в охлаждаемой жидким гелием ячейке. Этот прибор представляет собой пару высококачественных алмазов, с плоскими отшлифованными гранями наковальни. Их сжимают, вкручивая длинные стальные винты.

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 нм), 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 млн атм образец потемнел и перестал пропускать свет.  При давлении 4,95 млн атм 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 см³) — 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 Святой Грааль для физики высокого давления. Это первый образец металлического водорода на Земле, поэтому, когда вы смотрите на него, вы видите нечто, никогда ранее не существовавшее», — прокомментировал один из авторов работы, профессор Гарвардского университета Айзек Сильвера.

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. 

А ещё ранее группа талантливых, но юных физиков из города Новосибирска пыталась получить металлический водород в школьной лаборатории. Последствия были вполне предсказуемы.

По мнению исследователей, новый материал может оказать сильное влияние на развитие технологий, в том числе создание сверхбыстрых компьютеров, скоростных поездов, сверхпроводников и топлива для космических кораблей.

Взято тут (краткая версия) и тут (расширенная версия). На русском языке.

Последовавшее дополнение: Твердый водород и нетвердые доказательства