Мал. 1. Кристалічні ґрати металевих LiH2 і LiH6 під тиском 150 ГПа. Зеленим кольором показані атоми літію. Фіолетовим - атоми водню, пов'язані з літієм. Білим кольором відображені атоми водню, «належать» молекулі водню H2. Можна сказати, що обидва гідриду літію є сплавом двох металів: перший метал утворюють хімічно пов'язані атоми літію і водню, другий - атоми, об'єднані в молекулу H2. Червоним кольором на правому малюнку обведено одне з таких молекулярних об'єднань H2. Структурні параметри LiH2 і LiH6 наведені в додаткових матеріалах до обговорюваної статті в PNAS
У нормальних умовах водень - газоподібний діелектрик. Згідно з теоретичними передбаченнями, стиснений під тиском в 4 млн атмосфер водень повинен перейти в металевий стан. Великий інтерес до проблеми металевого водню пов'язаний перш за все з імовірним існуванням в ньому комнатнотемпературной надпровідності. Крім того, деякі вчені припускають, що в певному інтервалі температур і напруженостей зовнішнього магнітного поля водень-метал буде надтекучим сверхпроводником - рідиною з нульовою в'язкістю і нульовим опором. Однак до сих пір подібний перехід діелектрик-метал у водні не спостерігається, оскільки необхідне для такої трансформації тиск знаходиться на межі експериментальних можливостей. Американо-російська група вчених пропонує для вивчення екзотичних властивостей металевого водню використовувати «збагачені» воднем гідриди літію - LiHn (n = від 2 до 8). Комп'ютерне моделювання, проведене дослідниками, показало наступ металевої фази в LiHn при тиску, в 4 рази меншому, ніж потрібно для водню, тобто вже в технологічно реалізуються умовах.
Порівняльна таблиця величин тисків
Тиск (в атмосферах)
Інтерес до отримання металевого водню підігріла теоретична робота радянських фізиків на чолі з Юрієм Коганом, що з'явилася на початку 70-х років минулого століття. В ній доводилося, що водень-метал - метастабильное речовина: будучи один раз отриманий під високим тиском, після зняття тиску він не перетвориться назад в діелектрик, а залишиться металом. Правда, зі статті Юрія Когана і його колег не було ясно, наскільки тривалим виявиться існування металевого водню.
Подальші теоретичні та експериментальні дослідження показали, що оцінка Вигнера і Хантінгтона виявилася сильно занижена. Відповідно до сучасних уявлень, водень повинен «металізовані» при тиску 400 ГПа (4 млн атмосфер). Досяжні зараз такі тиску? Є два шляхи їх отримання - статичне стиснення за допомогою алмазних наковален (подробиці див. В огляді: С. Блок, Г. Пьермаріні. Алмазні ковадла відкривають нові можливості у фізиці високих тисків. PDF, 2,81 Мб // УФН, 1979. Том 127, вип. 4, 705) і імпульсна, що реалізовується протягом короткого періоду за допомогою вибухової хвилі. У першому випадку вчені здатні «вичавити» максимум близько 300 ГПа, що недотягує до теоретичних оцінок по «металізації» водню. Імпульсне стиснення виробляє значно більший тиск, досягає 1500 ГПа, однак має істотні недоліки. У цьому процесі відбувається сильне нагрівання, що стискається речовини, що дозволяє досліджувати об'єкт лише в його рідкому стані. Крім цього, такі надвисокі тиску утворюються протягом дуже обмеженого часу (порядку мікросекунди і менше), тому фізики-експериментатори не завжди встигають зафіксувати в повній мірі необхідні для них характеристики досліджуваного матеріалу. Зрозуміло, вчені усіма можливими способами намагаються зменшити паразитний нагрівання в процесі імпульсного стиснення і уникнути переходу речовини під тиском в рідину.
Експерименти по «металізації» водню
Перші натяки на перехід діелектрик-метал у водні з'явилися в 1969 році. Група радянських фізиків-експериментаторів, очолюваних Леонідом Верещагіним з Інституту фізики високих тисків. при температурі 4,2 К і тиску близько 100 ГПа (статичний спосіб) спостерігала стрибкоподібне зменшення електричного опору водню на 6 порядків (в мільйон разів). Правда, виходячи з цих даних, ідентифікувати водень як метал вчені не наважилися, назвавши свою статтю Можливість переходу водню в металевому стані (PDF, 103 Кб).
З робіт, які близькі до нашого часу, варто згадати дослідження американських вчених з Ліверморської національної лабораторії в середині 90-х років минулого століття. Використовуючи імпульсна стиснення (температура становила близько 3000 К), вони виявили зменшення опору рідкого водню в 10 тис. Разів при збільшенні тиску від 93 до 140 ГПа. Правда, говорити, що в цьому експерименті спостерігався перехід водню з діелектричного стану в металеве, як і раніше не можна: додаткове дослідження внутрішньої структури показало, що він так і не став металом. Фактично, лише мала місце рідина з типом провідності, що нагадує металеву.
Отже, підіб'ємо проміжні підсумки. Незважаючи на локальні досягнення, прямих свідчень «металізації» водню немає до сих пір.
Чим цікавий металевий водень?
Загалом, справа залишилася за малим - домогтися «металізації» водню.
Збагачення речовин воднем - шлях до його «металізації»
І ось тут вчені винайшли обхідний шлях - для вирішення проблеми «металізації» були задіяні сполуки, що містять водень у великій кількості. Першим, хто здогадався про такий альтернативному підході, знову був Нейл Ашкрофт. Він запропонував використовувати гідриди елементів з 4-ї групи періодичної системи Менделєєва - кремнію, олова, германію. На думку Ашкрофта, силан (SiH4), герман (GeH4) і гідрид олова (SnH4) повинні ставати стійкими стабільними металами при тисках, в кілька разів менших 400 ГПа, необхідних для отримання металевого водню. Крім цього, вищезгадані сполуки, згідно з деякими розрахунками, повинні бути ще й високотемпературними надпровідниками. Наприклад, гідрид олова, як випливає з цієї роботи, - стабільний метал в інтервалі тисків від 70 до 160 ГПа, що має критичну температуру переходу 80 К при 120 ГПа.
Яке значення температури Дебая для надпровідності? Щоб це зрозуміти, зробимо невеликий екскурс в теорію цього явища. На мікроскопічному рівні причина надпровідності - об'єднання всіх електронів провідності речовини в куперовские пари. Тяжіння між електронами виникає за рахунок взаємодії між ними і кристалічною решіткою фононів (безмассових частинок - квантів коливального руху атомів кристалічної решітки) і носить назву електрон-фононного. «Силу» електрон-фононного тяжіння визначають безрозмірною величиною - константою електрон-фононної взаємодії. Звичайне кулоновское відштовхування між електронами нікуди не поділося - просто в надпровіднику воно слабкіше, ніж електрон-фононна взаємодія. В теорії надпровідності кулонівської взаємодії характеризується спеціальної безрозмірною константою, іменованої псевдопотенціал Мореля-Андерсона, або кулонівський потенціал. Саме через псевдопотенціал Мореля-Андерсона - разом з константою електрон-фононної взаємодії та температурою Дебая - виражається формула Макміллана для Tc надпровідника, у якого куперовские пари утворюються за рахунок фононів. Чим вище температура Дебая, чим більше константа електрон-фононної взаємодії і чим менше потенціал кулонівського відштовхування, тим вище критична температура речовини