Новости науки
Французские учёные получили металлический водород
Информационное агентство РИА Новости (г. Москва), 31.01.2020
Дата публикации: 03.02.2020
Учёные получили экспериментальные доказательства фазового перехода водорода в металлическое состояние при давлении 425 гигапаскалей. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.
Исследователи давно предположили, что водород при сильном давлении переходит в металл, и именно в таком состоянии он находится в ядрах планет – газовых гигантов типа Юпитера. Был даже рассчитан предел фазового перехода – 425 гигапаскалей, но способа создать такое гигантское давление до последнего времени не существовало.
Французские учёные Пол Лубейр (Paul Loubeyre) и Флоран Оччелли (Florent Occelli) из Французской комиссии по атомной энергии (AEC) сумели усовершенствовать ячейку с алмазной наковальней – устройство, которое традиционно используется для создания сильного давления в экспериментах, так, что достичь давления 425 гигапаскалей стало возможным.
В ячейке с алмазной наковальней образец помещается между двумя полированными алмазными наконечниками, которые сжимаются, создавая давление. Авторы изменили дизайн алмазного наконечника – они сделали его в форме пончика с рифлёным куполом. При высоких давлениях купол деформируется, но не ломается.
Новое устройство, способное создавать давление до 600 гигапаскалей, было названо тороидальной ячейкой алмазной наковальни. Для контроля фазового состояния исследователи использовали луч инфракрасного света, направленный снизу и проходящий через отверстие в центре тороидальной ячейки. В обычном состоянии он беспрепятственно проходит через водород, но если встретится с металлом, будет заблокирован или отражён. Для этого, в сотрудничестве с Полом Дюма (Paul Dumas), сотрудником синхротрона SOLEIL, был разработан новый тип инфракрасного спектрометра.
Авторы в своём исследовании доказывают теоретически, что согласно правилам квантования, металлический водород должен существовать. Они указывают, что если электроны какого-либо вещества ограничены в своём движении, то в конечном итоге произойдёт то, что известно как «закрытие запрещённой зоны». Другими словами любой изолирующий материал, в том числе водород, при определённом давлении станет проводящим металлом.
Результаты эксперимента показали, что образец водорода, сжатый до 425 гигапаскалей при температуре 80 кельвинов (минус 193 градуса Цельсия) начал поглощать все инфракрасное излучение, что указывает на то, что «запрещённая зона» закрылась.
Учёные уже планируют следующий эксперимент, в котором хотят доказать, что при 425 гигапаскалях образец водорода будет проводить электричество.
В течение многих лет учёные искали способ создания металлического водорода синтетическим путём из-за весьма заманчивых перспектив его применения в электронике и в качестве лёгкого и энергоёмкого ракетного топлива. Этот металл обладает сверхпроводящими свойствами при комнатной температуре, а самое главное – является метастабильным, то есть остаётся в твёрдом состоянии после возвращения к нормальному давлению.
Металлический водород нужен и физикам, занимающимся исследованиями в области высоких энергий, аналогичных тем, которые в настоящее время проводятся в ЦЕРН, а также астрофизикам, которые впервые смогли бы изучить вещество, предположительно находящееся внутри планет-гигантов.
Источник: РИА Новости
Фото: Paul Loubeyre et al. / Nature
