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.

 См. также:

  • Суперсимметрия: один шаг к познанию мира14.02.2017 Суперсимметрия: один шаг к познанию мира В 2016 году профессор Университета штата Миннесота (США) Михаил Шифман и Аркадий Вайнштейн, а также их коллега Натан Зайберг (Nathan Seiberg) из Института передовых исследований Принстонского университета стали лауреатами одной из высших наград в физике — медали Дирака. О своих исследованиях Михаил Аркадьевич Шифман рассказал Наталии Деминой.
  • Памяти А. А. Абрикосова11.04.2017 Памяти А. А. Абрикосова Последние полгода стали скорбными для мирового сообщества физиков-теоретиков: один за другим ушли из жизни такие яркие представители физики ХХ века, как Л. В. Келдыш, Л. П. Горьков, С. Т. Беляев, Л. Д. Фаддеев и, на прошлой неделе, А. А. Абрикосов. Об огромном научном наследии выдающегося физика-теоретика, лауреата Нобелевской, Ленинской, Государственной и многих других премий, члена РАН и Национальной академии наук США, почетного доктора десятка университетов мира можно говорить долго. С его именем связаны многие открытия теории конденсированных сред, квантовой электродинамики, однако в историю А. А. Абрикосов вошел как создатель теории сверхпроводимости второго рода. Что же касается подробностей, у меня сохранилась автобиография А. А. с перечнем тех задач, которые он сам считал важнейшими из выполненных в его жизни. […]
  • Михаил Трунин: «Хорошее физическое образование — фундамент технологической культуры страны»06.12.2016 Михаил Трунин: «Хорошее физическое образование — фундамент технологической культуры страны» В 1911 году лучшие физики мира решили собраться в Брюсселе. Так появились знаменитые Сольвеевские конгрессы. Тогда ни одного физика из России там не было. Сейчас едва ли найдется крупная международная конференция, где бы не выступали наши соотечественники. За 100 лет Россия стала одной из ведущих стран по подготовке физиков высочайшего уровня. Но нужны ли такие специалисты сегодня нашей стране? Об этом Ольга Орлова беседовала с деканом факультета физики Высшей школы экономики, докт. физ.-мат. наук Михаилом Труниным.
  • Как вышли в мир гиротроны из Горького08.03.2016 Как вышли в мир гиротроны из Горького Нижегородские физики участвуют в крупнейших мировых проектах, а ведь всего четверть века назад Горький был закрытым городом, куда сослали опального академика Сахарова. О том, как происходили эти перемены в жизни ученых, с Александром Литваком, научным руководителем Федерального исследовательского центра «Институт прикладной физики РАН», беседовала Ольга Орлова в программе «Гамбургский счет».
Подписаться
Уведомление о
guest
2 Комментария(-ев)
Встроенные отзывы
Посмотреть все комментарии
Руслан Назипов
3 года (лет) назад

А электронная дифракция на просвет?

Вадим
Вадим
3 года (лет) назад
В ответ на:  Руслан Назипов

нет, камеру алмазную не пробить, под давлением электронные микроскопы не работают. Электроны могут просветить лишь десятки атомных слоев

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

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: