В последние годы несколько исследовательских групп ставит один за другим эксперименты с целью получения металлического водорода. Физики Айзек Сильвера (Isaac F. Silvera) и Ранга Диас (Ranga P. Dias) из Гарвардского университета сообщили, что им удалось добиться успеха. Эксперимент был проведен еще осенью 2016 года, а недавно отчет исследователей о нем был опубликован журналом Science. Но коллеги пока не спешат с признанием этого достижения.
Если мы будем просто охлаждать газообразный водород, то он, как и положено, превратится в жидкость (при давлении 105 паскалей это произойдет, когда температура опустится ниже −252,87 °C), а затем и в твердое тело (при температуре ниже −259,14 °C). Твердый водород впервые удалось получить еще в 1899 году знаменитому Джеймсу Дьюару. Водород в твердом виде имеет кристаллическую структуру и внешне похож на снег. Но это совсем не тот металлический водород, о котором в течение десятилетий мечтают ученые. Твердый водород, полученный охлаждением, ведет себя как диэлектрик, не отличаясь в этом от своей жидкой и газообразной форм.
О металлическом водороде впервые заговорили в 1935 году, когда физики Юджин Вигнер и Хиллард Хантингтон опубликовали статью, где предсказывали возможность его получения при высоком давлении. Дело в том, что протоны, которые служат ядрами атомов водорода, должны сблизиться на расстояние, которое меньше радиуса первой электронной орбитали. Тогда электроны этих атомов утратят привязку к конкретному ядру и образуют так называемый «электронный газ», который существует в металлах и обеспечивает их электропроводность. Следовательно, такой водород тоже станет проводником. По расчетам Вигнера и Хантингтона, это явление должно было происходить при давлении 25 гигапаскалей.
В 1968 году вышла следующая публикация, сделавшая гипотетический металлический водород еще более привлекательным. В ней Нейл Эшкрофт выдвинул обоснованное предположение, что металлический водород станет сверхпроводником, причем при очень высокой температуре выше 200 кельвинов (−73,15 °C). Спустя три года Юрий Каган и его коллеги предположили, что металлический водород может сохранять свои свойства и после того, как высокое давление будет убрано. С тех пор начали говорить о потенциальной «метастабильности металлического водорода».
Экспериментаторы приложили немало усилий для получения металлического водорода. Довольно быстро стало понятно, что оценка необходимого давления в 25 гигапаскалей, предложенная Вигнером и Хантингтоном, сильно занижена. Нужно было развить давление в несколько сотен гигапаскалей (для сравнения давление в центре земного ядра достигает 361 ГПа). Достигают таких давлений при помощи алмазных наковален. В основе этих устройств находятся два синтетических алмаза в форме усеченных конусов, обращенные узкими сторонами друг к другу. Когда их начинают сжимать, на небольшой площадке площадью в несколько десятых миллиметра, где соприкасаются два этих алмаза, возникает гигантское давление. Туда и помещают водород.
В 1975 году в Институте физики высоких давлений АН СССР Леонид Верещагин и его коллеги при помощи алмазных наковален достигли давления около 300 ГПА при температуре 4,2 кельвина и зафиксировали резкое снижение электрического сопротивления водорода, в несколько миллионов раз. Это указывает на приобретение им металлических свойств. В 1996 году успеха добились в Ливерморской национальной лаборатории США, где падение электрического сопротивления водорода обнаружилось при давлении 140 ГПа.
В 2008 году автор нынешнего исследования Айзек Сильвера и совместно с Шанти Димьядом использовали метод импульсного лазерного нагрева образца и обнаружили пик кривой плавления водорода при давлении 64,7 ГПа и температуре 1055 кельвинов. По их мнению, такое изменение кривой плавления может быть предшественником перехода водорода в металлическую форму. В том же году Михаил Еремец, работающий в Институте химии Общества Макса Планка в Майнце, и его коллеги наблюдали в эксперименте металлические свойства у силана (тетрагидрида кремния SiH4). Электропроводимость в нем возникала при давлении 50 ГПа, а сверхпроводимым он становился при температуре 17 кельвинов и давлении 96 и 120 ГПа. В металлической фазе, по словам исследователей, силан имел гексагональную структуру с плотной упаковкой с высокой плотностью атомарного водорода, создавая трехмерную проводящую сеть. Но в 2011 году физики Эдинбургского университета под руководством профессора Евгения Григорянца, достигнув при помощи алмазных наковален давлений в 124 и 300 ГПа, синтезировали из кремния и водорода силан и изучили его состояние при низких и комнатных температурах. Им не удалось даже при более высоких давлениях воспроизвести результаты 2008 года. При 60 ГПа силан приобретал аморфную форму, а при 90 ГПа образовывал полимерные кристаллические структуры.
Также в 2011 году о новом эксперименте сообщили Михаил Еремец и Иван Троян. Они работали с водородом и дейтерием при комнатной температуре (295 кельвинов) и добились возникновения электропроводимости при давлении 260 – 270 ГПа, при снижении давления до 200 ГПа металлическая фаза водорода трансформировалась обратно в диэлектрическую. Однако представленные ими доказательства были подвергнуты критике: по мнению группы ученых, среди которых был и Айзек Сильвера, результаты эксперимента не свидетельствовали о получении металлического водорода.
О двух экспериментах мы узнали в 2015 году. В одном из них физики из Сандийских национальных лабораторий США и Ростокского университета использовали для сжатия жидкого дейтерия Z-машину и получили материал с металлическими свойствами. Другой провела уже знакомая группа из Майнца. На этот раз они сжимали гидрид серы и пришли к выводу, что образец приобретает свойства металла при 90 ГПа и 203 кельвинах с резким падением сопротивления до нуля.
В 2016 году о достигнутых результатах сообщили Евгений Григорянц и его коллеги. Им удалось сжать водород и дейтерий при давлении 325 ГПа и наблюдать их переход в другую, ранее неизвестную, кристаллическую фазу (фаза IV). Атомы водорода в этой фазе объединяются в шестигранные структуры. По мнению ученых, эта фаза непосредственно предшествует металлическому состоянию, которое должно наблюдаться при давлении около 450 ГПа и комнатной температуре.
В новом исследовании Айзек Сильвера и Ранга Диас, как они сообщают, добились давления 495 ГПа в алмазных наковальнях. В этот момент им удалось зафиксировать при помощи инфракрасного лазера резкое возрастание отражательной способности образца, то есть он стал блестящим подобно металлу.
Но другие участники гонки за металлическим водородам не спешат признавать достижение американских физиков. Михаил Еремец говорит, что результат единичного эксперимента не может быть убедительным и что необходимо воспроизведение его при последующих проверках. А Евгений Григорянц настроен и вовсе скептически, по его мнению, даже слово “мусор” не будет достаточно точной оценкой этого эксперимента. К методике Сильверы и Диаса действительно есть серьезные нарекания. Например, они не подтвердили достижения 495 ГПа при помощи непрерывной рамановской спектроскопии, как это обычно делается. Спектроскопическое измерение было проведено только в финальной точке, а в остальном давление оценивалось по числу поворотов винта в сжимающем устройстве. Также высказываются сомнения в чистоте водородного образца и, собственно, в наличии перехода в металлическую фазу. Но Сильвера и Диас намерены продолжить эксперименты, чтобы предоставить исчерпывающие доказательства.
