После десятилетий охоты физики утверждают, что они создали квантовый материал из глубин Юпитера

Юпитер

Начиная с 1930-х годов физики подозревают, что под экстремальным давлением атомы водорода — самые легкие атомы периодической таблицы, содержащие всего по одному протону в каждом ядре, — могут радикально изменить свои свойства. В нормальных условиях водород плохо проводит электричество и склонен спариваться с другими атомами водорода, как и кислород. Но физики полагают, что при достаточном давлении водород будет действовать как щелочной металл — группа элементов, включающая литий и натрий, каждый из которых имеет один электрон на своих внешних орбитах, которыми они обмениваются очень легко. Вся периодическая таблица построена вокруг этой идеи, водород помещен в первую колонку выше других щелочных металлов. Но этот результат никогда не был получен в лаборатории.

Теперь группа исследователей во главе с Полем Любейром из Комиссии по атомной энергии Франции утверждает, что справилась с этой задачей. Раздавленный между точками двух алмазов под примерно в 4,2 миллиона раз большим атмосферным давлением, чем на Земле на уровне моря (425 гигапаскалей), образец водорода продемонстрировал металлические свойства.

Металлический водород — это высший гидрид», — пишут исследователи, ссылаясь на класс соединений на основе водорода с исключительными свойствами. «Он может обладать сверхпроводимостью при комнатной температуре, плавлением при очень низкой температуре, переходом в необычное сверхпроводящее сверхтекучее состояние, высокой протонной диффузией и высокой плотностью накопления энергии.»

Другими словами, ожидается, что это будет материал, который проводит электричество неопределенно долго при комнатной температуре — полезная квантовая особенность — и очень легко накапливает энергию. Обычно сверхпроводники работают только при очень низких температурах.

Многолетняя охота за металлическим водородом привела к появлению множества других материалов, которые, при несколько меньшем давлении, обладают, по крайней мере, некоторыми из этих свойств. Но для этого исследователям приходилось смешивать водород с другими соединениями сложными способами. Исследователи называют их супергидридами. Супергидриды, или сам металлический водород, могут однажды привести к значительному усовершенствованию технологий транспортировки и хранения энергии.

Планетарные ученые также думают, что металлический водород может скрываться в сверхтяжелых планетах, таких как Юпитер. Но для того, чтобы понять, правда ли это, нужно было создать что-то из того, что есть на Земле.

Проблема заключалась в том, что металлический водород, как представляется, образуется под давлением, превышающим возможности даже самых экстремальных исследовательских лабораторий высокого давления. Стандартный метод создания экстремального, устойчивого давления в лаборатории заключается в дроблении крошечного образца между точками двух сверхтвердых алмазов. Но за пределами 400 гигапаскалей даже самые жесткие «алмазные наковальни» начинают ломаться.

В 2016 году группа исследователей утверждала, что создала металлический водород в алмазной наковальне, но предоставила неполные данные. И они боялись достать свой образец из под пресса алмазной наковальни, чтобы не повредить его. Другие исследователи, включая Лубейра, не были убеждены в этом результате, в основе которого лежит предположение о получившемся металлическом водороде только исходя из отражательной способности материала. Позже ученые заявили, что они потеряли свой образец после того, как сломалось устройство алмазной наковальни.

В основу нового исследования положено утверждение о том, что изготовление металлического водорода в первую очередь зависит от того, как образец изменяет пучки инфракрасного света во время применения наковальни и когда давление слабеет. Исследователи повторили свой эксперимент, настроив давление меняться вверх и вниз, чтобы материал менял своё состояние.

Популярные материалы