Металлический водород между алмазными наковальнями

Вадим Бражкин (www.hppi.troitsk.ru)

Вадим Браж­кин (www.hppi.troitsk.ru)

В янва­ре это­го года в жур­на­ле Science была опуб­ли­ко­ва­на ста­тья сотруд­ни­ков Гар­вард­ско­го уни­вер­си­те­та Ран­га Диа­са (Ranga Dias) и Иса­а­ка Силь­ве­ры (Isaac Silvera), в кото­рой сооб­ща­ет­ся о полу­че­нии метал­ли­че­ско­го водо­ро­да. Ста­тья вызва­ла боль­шой резо­нанс в сред­ствах мас­со­вой инфор­ма­ции, посколь­ку метал­ли­че­ский водо­род был дав­ней меч­той твер­до­тель­щи­ков. Во-пер­вых, он очень инте­ре­сен как фун­да­мен­таль­ное физи­че­ское явле­ние. Во-вто­рых, он дол­жен обра­зо­вы­вать­ся в нед­рах пла­нет-гиган­тов. В-тре­тьих, он при­вле­ка­ет широ­кий обще­ствен­ный инте­рес бла­го­да­ря пред­ска­за­ни­ям о его воз­мож­ной мета­ста­биль­но­сти и высо­ко­тем­пе­ра­тур­ной сверх­про­во­ди­мо­сти. Что­бы разо­брать­ся в том, что реаль­но про­изо­шло, мы обра­ти­лись за ком­мен­та­ри­я­ми к дирек­то­ру Инсти­ту­та физи­ки высо­ких дав­ле­ний им. Л. Ф. Вере­ща­ги­на, ака­де­ми­ку РАН Вади­му Браж­ки­ну. Вопро­сы зада­вал Борис Штерн.

— Пере­до мной фазо­вая диа­грам­ма водо­ро­да, сде­лан­ная годы назад. На ней уве­рен­ной рукой про­ве­де­на услов­ная гра­ни­ца меж­ду твер­дым моле­ку­ляр­ным и метал­ли­че­ским ато­мар­ным водо­ро­дом, где-то на двух мега­ба­рах, выше при боль­ших тем­пе­ра­ту­рах — фаза жид­ко­го метал­ли­че­ско­го водо­ро­да. Зна­чит ли это, что дан­ная фазо­вая диа­грам­ма хоро­шо счи­та­ет­ся и все фазы были извест­ны дав­но?

— Нет, отно­си­тель­но хоро­шо про­счи­та­но до одно­го мега­ба­ра и намно­го выше деся­ти мега­бар. А как раз в той обла­сти, где ожи­да­ет­ся фазо­вый пере­ход, при несколь­ких мега­ба­рах, счи­та­ет­ся пло­хо. Пред­ска­за­ния мно­го раз меня­лись. Совсем дав­но это было 200 кило­бар, потом пред­по­ла­га­е­мое дав­ле­ние метал­ли­за­ции вырос­ло до мега­ба­ра, потом у кого-то полу­ча­лось десять, у кого-то — три. В этой обла­сти дей­стви­тель­но труд­но счи­тать — нет мало­го пара­мет­ра. Про­бле­ма в том, что в дан­ном слу­чае раз­мер иона прак­ти­че­ски нуле­вой, это про­тон, а плот­ность элек­тро­нов силь­но неод­но­род­на. Это прак­ти­че­ски един­ствен­ный такой дурац­кий металл, кото­рый не счи­та­ет­ся. Ту т даже непо­нят­но, будет ли вбли­зи пере­хо­да струк­ту­ра кри­стал­ли­че­ской, или это будет жид­кость.

— Но сей­час на ком­пью­те­рах пере­ма­лы­ва­ют доста­точ­но тяже­лые зада­чи без вся­ких малых пара­мет­ров. На каком уровне нахо­дят­ся чис­лен­ные моде­ли для метал­ли­че­ско­го водо­ро­да?

— Как раз они сей­час в основ­ном и рабо­та­ют. Это пер­во­прин­цип­ный счет на супер­ком­пью­те­рах для несколь­ких сотен ато­мов. Сузить область пред­ска­зан­ной метал­ли­за­ции и воз­мож­но­го пове­де­ния кри­вой плав­ле­ния водо­ро­да уда­лось, но зна­чи­тель­ный раз­брос пред­ска­за­ний в дан­ных раз­лич­ных групп тем не менее остал­ся.

Фазовая диаграмма водорода, соответствующая современным представлениям. По горизонтальной оси — давление в гигапаскалях (100 ГПа примерно равны одному мегабару). Красная линия отделяет твердый водород от жидкого. Изображение из статьи Dias R. P. et al., Science 10.1126/science.aal1579 (2017)

Фазо­вая диа­грам­ма водо­ро­да, соот­вет­ству­ю­щая совре­мен­ным пред­став­ле­ни­ям. По гори­зон­таль­ной оси — дав­ле­ние в гига­пас­ка­лях (100 ГПа при­мер­но рав­ны одно­му мега­ба­ру). Крас­ная линия отде­ля­ет твер­дый водо­род от жид­ко­го. Изоб­ра­же­ние из ста­тьи Dias R. P. et al., Science 10.1126/science.aal1579 (2017)

— Да, на фазо­вой диа­грам­ме, кото­рая у меня перед гла­за­ми, выше по тем­пе­ра­ту­ре — область жид­ко­го метал­ли­че­ско­го водо­ро­да. И она насту­па­ет даже при более низ­ких дав­ле­ни­ях, чем твер­дая метал­ли­че­ская фаза. Это соот­вет­ству­ет совре­мен­ным пред­став­ле­ни­ям?

— Да, конеч­но, кор­рект­но отли­чить диэлек­три­че­скую от метал­ли­че­ской фазы мож­но толь­ко при низ­кой тем­пе­ра­ту­ре, но были наме­ки на то, что при высо­кой тем­пе­ра­ту­ре высо­кая про­во­ди­мость насту­па­ет рань­ше по дав­ле­нию. Это было под­твер­жде­но еще в сере­дине 1990-х — сна­ча­ла Бил­лом Нел­ли­сом (Bill Nellis), потом Вла­ди­ми­ром Фор­то­вым — в удар­ных вол­нах при дав­ле­нии око­ло полу­то­ра мил­ли­о­нов атмо­сфер водо­род начи­на­ет про­во­дить при­мер­но как метал­ли­че­ский натрий. Прав­да, здесь могут быть воз­ра­же­ния, что это про­ис­хо­дит за счет иони­за­ции, а не из-за пере­хо­да в метал­ли­че­скую фазу. Такой спор идет. Но, в прин­ци­пе, в обла­сти высо­ких тем­пе­ра­тур от 2 до 5 тыс. гра­ду­сов во мно­гих экс­пе­ри­мен­тах в рай­оне от 1 до 3 мега­бар наблю­да­лись при­зна­ки пере­хо­да в метал­ли­че­скую фазу — и в удар­ных вол­нах, и в ста­ти­че­ских экс­пе­ри­мен­тах с лазер­ным нагре­вом. Это извест­ный факт.

— Пра­виль­но ли я пони­маю, что в удар­ных вол­нах слож­но отли­чить метал­ли­че­скую про­во­ди­мость от плаз­мен­ной?

— Не то что­бы труд­но отли­чить, это ско­рее одно и то же — при высо­кой тем­пе­ра­ту­ре они пере­ме­ша­ны, так что тут боль­ше вопрос тер­ми­но­ло­гии. Если Нел­ли­су хоте­лось полу­чить Нобе­лев­скую пре­мию, то он трак­то­вал это как жид­кий метал­ли­че­ский водо­род. На самом деле с точ­ки зре­ния пла­не­то­ло­гии важ­нее как раз жид­кая фаза — имен­но она суще­ству­ет в нед­рах пла­нет, где тем­пе­ра­ту­ра высо­ка. Имен­но жид­кий метал­ли­че­ский водо­род в нед­рах Юпи­те­ра и Сатур­на созда­ет маг­нит­ное поле. Хотя с точ­ки зре­ния клас­си­че­ских твер­до­тель­щи­ков это какая-то скуч­ная плаз­ма, иони­за­ция. С их точ­ки зре­ния глав­ное — най­ти пере­ход вбли­зи нуле­вой тем­пе­ра­ту­ры.

— Об исто­рии. Когда появи­лась идея, что дол­жен суще­ство­вать метал­ли­че­ский водо­род?

— Пер­вая ста­тья — 1935 год. Юджин Виг­нер (Eugene Wigner) и Хил­лард Белл Хан­тинг­тон (Hillard Bell Huntington).

— Когда была пер­вая попыт­ка полу­чить метал­ли­че­ский водо­род? Это не Лео­нид Вере­ща­гин в вашем инсти­ту­те?

— Это не пер­вая попыт­ка, а пер­вое заяв­ле­ние об успеш­ном экс­пе­ри­мен­те. Тут сле­ду­ю­щие про­бле­мы. Водо­род силь­но пор­тит алмаз­ные нако­валь­ни, про­ни­кая в них. Металл мож­но сжать до четы­рех мега­бар, а водо­род — выше двух ни у кого не полу­ча­лось. Исто­ри­че­ски пер­вое заяв­ле­ние об успе­хе было сде­ла­но, дей­стви­тель­но, Вере­ща­ги­ным. Там была сле­ду­ю­щая схе­ма: алмаз­ная игла плюс алмаз­ная плос­кость, при­чем бра­лись про­во­дя­щие алма­зы с метал­лом. Игла пло­хо кон­тро­ли­ро­ва­лась. Раз­мер острия — поряд­ка мик­ро­на. Если посмот­реть в мик­ро­скоп, то острие — куча зуб­чи­ков. Наблю­да­лось сопро­тив­ле­ние через плен­ку твер­до­го водо­ро­да меж­ду иглой и плос­ко­стью. Когда сжи­ма­ли, сопро­тив­ле­ние пада­ло, когда отпус­ка­ли — вос­ста­нав­ли­ва­лось. Но потом груп­па Сер­гея Сти­шо­ва в Инсти­ту­те кри­стал­ло­гра­фии и аме­ри­кан­цы про­де­мон­стри­ро­ва­ли, что такое же про­ис­хо­дит, когда давят, напри­мер, иглой из твер­до­го спла­ва через бума­гу, что это свя­за­но не с метал­ли­за­ци­ей, а с эффек­том про­ко­ла.

Потом все пере­шли на плос­кие алмаз­ные нако­валь­ни, где мож­но смот­реть опти­ку, куда мож­но пытать­ся заво­дить элек­тро­ды. Про­бле­ма раз­ру­ше­ния нако­ва­лен выше двух мега­бар оста­лась. Реши­ли давить при низ­ких тем­пе­ра­ту­рах — гели­е­вой, азот­ной, тогда подав­ля­ет­ся диф­фу­зия водо­ро­да. Так мож­но прой­ти до трех с поло­ви­ной мега­бар.

— Но вот я смот­рю уже на совре­мен­ную фазо­вую диа­грам­му — там обо­зна­чен фазо­вый пере­ход ниже трех мега­бар.

— Эти фазы — I, II, III, не метал­лы. В про­цес­се экс­пе­ри­мен­тов люди обна­ру­жи­ли эту фазу III, кото­рая ока­за­лась чер­ной — это полу­про­вод­ник. А до метал­ла никак не дохо­ди­ли. Тео­ре­ти­ки загна­ли фазо­вый пере­ход в интер­вал меж­ду 4,5 и 6 мега­ба­ра­ми. Наш Миха­ил Ере­мец решил идти выше по тем­пе­ра­ту­ре на диа­грам­ме — там,где фазы IV и V. Он покрыл алмаз­ные нако­валь­ни тон­кой плен­кой метал­ла, что­бы их защи­тить, и тогда мож­но давить до трех мега­бар при ком­нат­ной тем­пе­ра­ту­ре. У него полу­чи­лись скач­ки сопро­тив­ле­ния — вро­де как метал­ли­за­ция. Но вели­чи­ны сопро­тив­ле­ния полу­чи­лись боль­ши­ми — кило­омы, а не мил­лио­мы, как долж­но быть. Сей­час сло­жил­ся кон­сен­сус, что фаза IV или V — какая-то из них явля­ет­ся узко­ще­ле­вым полу­про­вод­ни­ком, но ещене метал­лом. При­чем эта фаза частич­но ато­мар­ная, частич­но моле­ку­ляр­ная. Потом все реши­ли повто­рять Ерем­ца, и сей­час груп­па Гри­го­рян­ца (они, пожа­луй, ста­ли лиде­ра­ми в этой обла­сти при повы­шен­ных тем­пе­ра­ту­рах) рабо­та­ет меж­ду тре­мя и четырь­мя мега­ба­ра­ми, где крас­ный пунк­тир на диа­грам­ме. Про­бле­ма в том, что рент­ге­но­струк­тур­ный ана­лиз здесь не рабо­та­ет, дифрак­ция ней­тро­нов — тоже (слиш­ком тон­кий обра­зец). Оста­ет­ся лишь рама­нов­ская спек­тро­ско­пия. И у них появ­ля­ет­ся то один, то дру­гой пичок — вот одна фаза, вот вто­рая, а что это такое, какая у них струк­ту­ра — никто не зна­ет. Ну, и еще сле­дят за самым высо­ко­ча­стот­ным пиком — это внут­ри­мо­ле­ку­ляр­ный виб­рон — его нали­чие озна­ча­ет, что водо­род еще моле­ку­ляр­ный, а не ато­мар­ный.

— Это предыс­то­рия. Что ради­каль­но ново­го про­изо­шло сей­час?

— Это новая ста­тья Диа­са и Силь­ве­ры, опуб­ли­ко­ван­ная в Science. До это­го года все упи­ра­лись в эти четы­ре мега­ба­ра. Силь­ве­ра вер­нул­ся в низ­кие тем­пе­ра­ту­ры и заявил, что смог про­бить­ся к пяти мега­ба­рам. По его сло­вам, это уда­лось бла­го­да­ря более тща­тель­ной поли­ров­ке алма­за — обра­бот­ке с ато­мар­ной точ­но­стью. Они уби­ра­ли ион­ны­ми пуч­ка­ми неров­но­сти в несколь­ко атом­ных сло­ев. Так им уда­лось прой­ти до 5 мега­бар, и они уви­де­ли, что на 4,9 мега­ба­ра водо­род начал отра­жать свет. До это­го он был чер­ным, а выше 4,9 мега­ба­ра стал отра­жать свет. Коэф­фи­ци­ент отра­же­ния выше 90%.

— Минут­ку, как это фик­си­ру­ет­ся? Они смот­рят сквозь алмаз­ные нако­валь­ни?

— Да. На фото­гра­фии вид­но, как это про­ис­хо­дит. Этот эллипс — твер­дый водо­род диа­мет­ром девять мик­рон и тол­щи­ной в мик­рон. При малом дав­ле­нии он был про­зрач­ным, потом стал чер­ным, а при пяти мега­ба­рах стал отра­жать свет. Спектр отра­же­ния у них есть во все­м­ви­ди­мом диа­па­зоне. Он согла­су­ет­ся со спек­тром отра­же­ния нор­маль­но­го метал­ла. Хотя никто не зна­ет, твер­дый он или жид­кий, никто не зна­ет, какая у него струк­ту­ра, но он отра­жа­ет.

Фотографии водорода при разном давлении. Образец освещался светодиодами с двух сторон. Слева — 205 ГПа (образец прозрачен, виден задний светодиод), в центре — 415 ГПа (образец почернел и стал непрозрачен, справа вверху — гало от несфокусированного светодиода, светлое кольцо — рениевая прокладка), справа — 495 ГПа — образец стал отражать. Центральное пятно, водород, отражает заметно больше, чем рениевое кольцо. Фото из статьи Dias R. P. et al., Science 10.1126/science.aal1579 (2017)

Фото­гра­фии водо­ро­да при раз­ном дав­ле­нии. Обра­зец осве­щал­ся све­то­ди­о­да­ми с двух сто­рон. Сле­ва — 205 ГПа (обра­зец про­зра­чен, виден зад­ний све­то­ди­од), в цен­тре — 415 ГПа (обра­зец почер­нел и стал непро­зра­чен, спра­ва ввер­ху — гало от нес­фо­ку­си­ро­ван­но­го све­то­ди­о­да, свет­лое коль­цо — рени­е­вая про­клад­ка), спра­ва — 495 ГПа — обра­зец стал отра­жать. Цен­траль­ное пят­но, водо­род, отра­жа­ет замет­но боль­ше, чем рени­е­вое коль­цо. Фото из ста­тьи Dias R. P. et al., Science 10.1126/science.aal1579 (2017)

Конеч­но, посколь­ку сей­час в этой обла­сти боль­шая гон­ка, то почти все груп­пы заяви­ли про­тест, дескать, всё это ерун­да, посколь­ку у них алма­зы ничуть не хуже. Гово­рят, что надо раз­би­рать­ся, что, может быть, это отра­зил­ся кусок метал­ли­че­ской про­клад­ки, при­том узко­ще­ле­вые про­вод­ни­ки тоже непло­хо отра­жа­ют. В общем, надо дока­зать, что это металл. Либо кто-то, напри­мер Ере­мец или Шими­цу, излов­чит­ся и засу­нет туда элек­тро­ды и изме­рит сопро­тив­ле­ние акку­рат­но, либо тот же Силь­ве­ра или кто-то еще повто­рит этот опыт и сни­мет спектр начи­ная с даль­не­го инфра­крас­но­го диа­па­зо­на. Дело в том, что отра­же­ние в види­мом све­те сла­бо убеж­да­ет физи­ков, что это металл, а если это широ­кий диа­па­зон, тогда это дей­стви­тель­но аргу­мент. Нако­нец, если это сверх­про­вод­ник, то мож­но посмот­реть эффект Мейс­не­ра, есть резо­нанс­ные мето­ды — такие образ­цы на нако­валь­нях вполне изме­ри­мы на сверх­про­во­ди­мость. Тако­во состо­я­ние дел. Сей­час будут повто­рять экс­пе­ри­мент, в том чис­ле и сам Силь­ве­ра. А пока есть факт силь­но отра­жа­ю­ще­го водо­ро­да, опуб­ли­ко­ван­ный в Science, где три рецен­зен­та.

— Как насчет исполь­зо­ва­ния метал­ли­че­ско­го водо­ро­да в народ­ном хозяй­стве? Гово­рят, что он, воз­мож­но, мета­ста­би­лен, гово­рят про высо­ко­тем­пе­ра­тур­ную сверх­про­во­ди­мость. Это хоть в какой-то сте­пе­ни серьез­но?

— Это ско­рее пиар. Даже Силь­ве­ра счи­та­ет, что вряд ли. Струк­ту­ра неиз­вест­на — рент­ген здесь не сни­мешь. А для боль­шин­ства тео­ре­ти­че­ских струк­тур, кото­рые полу­ча­ют на чис­лен­ных моде­лях, нет дина­ми­че­ской устой­чи­во­сти при нор­маль­ных дав­ле­ни­ях, т. е. при сня­тии дав­ле­ния они долж­ны раз­ру­шать­ся. Хотя фор­маль­но исклю­чить это­го нель­зя — мало ли какая еще струк­ту­ра может там ока­зать­ся. Но опять же, если струк­ту­ра выжи­вет при нор­маль­ном дав­ле­нии и гели­е­вых тем­пе­ра­ту­рах, это не зна­чит, что мы можем ее нагреть, — таких при­ме­ров нет. Так что это в основ­ном пиар. Хотя зада­ча чрез­вы­чай­но инте­рес­на с фун­да­мен­таль­ной точ­ки зре­ния. Напри­мер, гово­рят о том, что это может быть одно­вре­мен­но сверх­про­во­дя­щая и сверх­те­ку­чая жид­кость. Если же рас­суж­дать о прак­ти­ке, то тут ско­рее могут при­го­дить­ся силь­но бога­тые водо­ро­дом гид­ри­ды. Под дав­ле­ни­ем ста­би­ли­зи­ру­ют­ся мно­гие гид­ри­ды типа (металл)Н8, напри­мер. Мно­гие из них, види­мо, могут быть мета­ста­биль­ны­ми при нор­маль­ном дав­ле­нии и тоже иметь уни­каль­ные свой­ства.

— Но в аст­ро­фи­зи­ке метал­ли­че­ский водо­род так и так важен. Тоже сво­е­го рода «народ­ное хозяй­ство». Еще вопрос по пово­ду струк­ту­ры. Рент­ге­ном ее снять не уда­ет­ся пото­му, что обра­зец слиш­ком тонок?

— Даже если бы он был поболь­ше — у него все­го один элек­трон, у бед­но­го. Всё, что лег­че угле­ро­да, — с тру­дом под­да­ет­ся иссле­до­ва­нию рент­ге­ном для образ­цов мик­рон­но­го раз­ме­ра. В прин­ци­пе, мож­но было бы снять ней­тро­на­ми в слу­чае дей­те­рия (но тогда обра­зец дол­жен быть боль­ше хотя бы раз в десять) либо очень мощ­ным рент­ге­ном на моно­кри­стал­ле водо­ро­да — так уже дела­лось до одно­го мега­ба­ра, но тоже для образ­цов в десять раз боль­ше…

Вадим Браж­кин
Бесе­до­вал Борис Штерн

Если вы нашли ошиб­ку, пожа­луй­ста, выде­ли­те фраг­мент тек­ста и нажми­те Ctrl+Enter.

Связанные статьи

Оценить: 
Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (Пока оценок нет)
Загрузка...
 
 

Метки: , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,

 

2 комментария

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Недопустимы спам, оскорбления. Желательно подписываться реальным именем. Аватары - через gravatar.com