Hidrogenul metalic este un set de stări de fază ale hidrogenului , care se află la presiune extrem de ridicată și a suferit o tranziție de fază . Hidrogenul metalic este o stare degenerată a materiei și, conform unor ipoteze, poate avea unele proprietăți specifice - supraconductivitate la temperatură ridicată și căldură specifică ridicată de tranziție de fază.
Prezetat teoretic în 1935 de Hillard Huntington și Eugene Wigner .
În anii 1930, omul de știință britanic John Bernal a sugerat că hidrogenul atomic, constând dintr-un proton și un electron și reprezentând un analog complet al metalelor alcaline , ar putea fi stabil la presiuni mari [1] . În 1935, Eugene Wigner și Hillard Bell Huntington au efectuat calculele corespunzătoare. Ipoteza lui Bernal a fost confirmată - conform calculelor, hidrogenul molecular trece în faza atomică metalică la o presiune de aproximativ 250 de mii de atmosfere (25 GPa ) cu o creștere semnificativă a densității [2] . Ulterior, estimarea presiunii necesare pentru tranziția de fază a fost crescută, dar condițiile de tranziție sunt încă considerate potențial realizabile. Predicția proprietăților hidrogenului metalic se realizează teoretic. Sub conducerea academicianului L.F.Vereshchagin , hidrogenul metalic a fost obținut pentru prima dată în lume, un raport despre acest lucru a fost publicat în 1975 [3] . Experimentul s-a repetat de mai multe ori, la presiuni mari (la 304 GPa) și temperaturi scăzute (până la 4,2 K), hidrogenul a dobândit conductivitate electrică (rezistența a scăzut de cel puțin 1 milion de ori), când proba a fost încălzită și presiunea a fost scăzută. , hidrogenul a asumat aceleași proprietăți. Au existat raportări pe această temă și în 1996, 2008 și 2011, până când, în 2017, profesorul Isaac Silvera și colegul său Ranga Diaz nu au realizat o probă stabilă la o presiune de 5 milioane de atmosfere [4] [5] [1] , totuși, camera în care a fost depozitată proba sa prăbușit sub presiune și proba s-a pierdut.
Se crede că cantități mari de hidrogen metalic sunt prezente în nucleele planetelor gigantice - Jupiter, Saturn - și exoplanetele mari . Datorită compresiei gravitaționale, un miez de hidrogen metalic ar trebui să fie sub stratul de gaz.
Pe măsură ce presiunea externă crește la zeci de GPa, grupul de atomi de hidrogen începe să prezinte proprietăți metalice. Nucleele de hidrogen ( protoni ) se apropie unul de celălalt mult mai aproape decât raza Bohr , la o distanță comparabilă cu lungimea de undă a electronilor de Broglie . Astfel, forța de legare a electronului cu nucleul devine nelocalizată, electronii sunt legați slab de protoni și formează un gaz de electroni liber în același mod ca în metale.
Faza lichidă a hidrogenului metalic diferă de faza solidă în absența ordinului de lungă durată . Există o discuție despre intervalul acceptabil pentru existența hidrogenului metalic lichid. Spre deosebire de heliu-4 , care este lichid la temperaturi sub 4,2 K și presiunea normală datorită energiei punctului zero , o serie de protoni dens împachetați are o energie semnificativă de punct zero. În consecință, trecerea de la o fază cristalină la o fază dezordonată este de așteptat la presiuni și mai mari. Un studiu al lui N. Ashcroft admite o regiune de hidrogen metalic lichid la o presiune de aproximativ 400 GPa și temperaturi scăzute [6] [7] . În alte lucrări, E. Babaev sugerează că hidrogenul metalic poate fi un lichid superfluid metalic [8] [9] .
În 1968, Neil Ashcroft a sugerat că hidrogenul metalic ar putea fi supraconductiv la temperaturi relativ ridicate [10] .
Calcule mai precise [11] ( N. A. Kudryashov , A. A. Kutukov, E. A. Mazur, JETP Letters, vol. 104, numărul 7, 2016, p. 488) au arătat că temperatura critică a hidrogenului metalic în faza I41/AMD, aceeași studiată [4] de Ranga Diaz și Isaac Silvera la o presiune de 5 milioane de atmosfere, dă o temperatură de tranziție supraconductivă de 215 kelvin , adică -58 grade Celsius.
Sub conducerea academicianului L.F.Vereshchagin , hidrogenul metalic a fost obținut pentru prima dată în lume, un raport despre acest lucru a fost publicat în 1975 [3] . Experimentul a fost realizat folosind nicovale de diamant. Experimentul s-a repetat de mai multe ori, la presiuni mari (la 304 GPa) și temperaturi scăzute (până la 4,2 K), hidrogenul a dobândit conductivitate electrică (rezistența a scăzut de cel puțin 1 milion de ori), când proba a fost încălzită și presiunea a fost scăzută. , hidrogenul a asumat aceleași proprietăți.
În 1996, Laboratorul Național Livermore a raportat că cercetările au creat condițiile pentru metalizarea hidrogenului și au oferit primele dovezi ale posibilei sale existențe [12] . Pentru o perioadă scurtă de timp (aproximativ 1 ms), s-a atins o presiune mai mare de 100 GPa ( atm.), o temperatură de ordinul miilor de kelvin și o densitate a substanței de aproximativ 600 kg/m 3 [13] . Deoarece experimentele anterioare de comprimare a hidrogenului solid într- o celulă cu nicovală de diamant la 250 GPa nu au dat rezultate, scopul experimentului nu a fost de a obține hidrogen metalic, ci doar de a studia conductivitatea probei sub presiune. Cu toate acestea, la atingerea 140 GPa , rezistența electrică practic a dispărut. Intervalul de bandă a hidrogenului sub presiune a fost de 0,3 eV , ceea ce s-a dovedit a fi comparabil cu energia termică corespunzătoare la 3000 K și care indică o tranziție „semiconductor-metal”.
Încercările au continuat să transforme hidrogenul într-o stare metalică prin compresie statică la temperaturi scăzute. A. Ruoff și C. Narayana ( Cornell University , 1998) [14] , P. Louvier și R. Lethule (2002) s-au apropiat succesiv de presiunile observate în centrul Pământului (324-345 GPa), dar tot nu au observat o tranziție de fază.
Maximul prezis teoretic al curbei de topire pe diagrama de fază, indicând faza metalică lichidă a hidrogenului, a fost descoperit experimental de S. Deemyad și I. Silvera [15] . Grupul lui M. Eremetz a anunțat trecerea silanului la starea metalică și manifestarea supraconductivității [16] , dar rezultatele nu s-au repetat [17] [18] .
În 2011, a fost raportată observarea unei faze metalice lichide de hidrogen și deuteriu la o presiune statică de 260–300 GPa [19] , ceea ce a ridicat din nou întrebări în comunitatea științifică [20] .
Pe 26 iunie 2015, în revista Science a fost publicat un articol , care descrie un experiment de succes realizat de un grup de cercetători de la Laboratoarele Naționale Sandia (SUA) împreună cu un grup de la Universitatea din Rostock (Germania) pentru comprimarea deuteriului lichid ( hidrogen greu) folosind Z-Machine într-o stare care prezintă proprietățile unui metal [21] .
În iulie 2016 , s-a raportat că fizicienii de la Universitatea Harvard au reușit să obțină hidrogen metalic în laborator. Aceștia au încălzit hidrogenul lichid cu ajutorul fulgerelor scurte ale unui laser la o temperatură de aproximativ 1900 de grade Celsius și l-au supus unei presiuni de 1,1-1,7 megabari [22] .
Este de așteptat ca această substanță să fie metastabilă, adică atunci când presiunea este îndepărtată, va rămâne un metal. Experimentul fizicienilor ajută la explicarea ce procese pot avea loc în intestinele giganților gazosi. Oamenii de știință sugerează că, în viitor, hidrogenul metalic poate fi folosit ca combustibil pentru rachete sau ca supraconductor capabil să existe la temperatura camerei [23] .
Comunitatea științifică a fost sceptică cu privire la această știre [24] , așteptând un reexperiment [25] .
În august 2018, oamenii de știință au anunțat observarea unei tranziții rapide a deuteriului lichid la o formă metalică la temperaturi sub 200 K. S-a găsit un acord remarcabil între datele experimentale și predicțiile teoretice bazate pe simulări folosind metoda cuantică Monte Carlo , care este considerată cea mai mare. metodă exactă până în prezent. Acest lucru ar putea ajuta cercetătorii să înțeleagă mai bine interioarele giganților gazosi precum Jupiter, Saturn și o varietate de exoplanete din afara sistemului solar [26] [27] .
În ianuarie 2020, fizicienii francezi au confirmat condițiile de existență a hidrogenului metalic, după cum au arătat experimentele lor, trecerea hidrogenului în starea metalică are loc la o presiune de 4,18 milioane de atmosfere [28] [29] .
Compușii metastabili ai hidrogenului metalic sunt promițători ca combustibil compact, eficient și curat. În timpul trecerii hidrogenului metalic la faza moleculară obișnuită, se eliberează de 20 de ori mai multă energie decât în timpul arderii unui amestec de oxigen și hidrogen - 216 MJ/kg [30] .
Supraconductori de înaltă temperaturăConform multor modele teoretice, hidrogenul metalic ar trebui să aibă o temperatură critică foarte mare T c , dacă această ipoteză este confirmată experimental, atunci hidrogenul metalic ca supraconductor își va găsi aplicație în multe domenii.