80 metų lauktas proveržis fizikoje: pirmą kartą mokslo istorijoje pagamintas metalinis vandenilis

Du Harvardo universiteto mokslininkai tai pasiekė, žemoje temperatūroje deimantais spausdami kietą vandenilį, kol šio atomai atsidūrė taip arti vienas kito, kad pradėjo dalintis elektronus. Bendras elektronų debesis rodo perėjimą į metalinį būvį, ir vandenilis tampa blizgus ir laidus elektrai.

„Jei šį eksperimentą pavyks atkartoti, jis išspręs vieną iš didžiausių fizikos problemų,“ sako Jeffrey McMahon iš Vašingtono valstijos universiteto Pullmane.

„Fundamentaliu lygiu, nagrinėjame paprasčiausią periodinės elementų lentelės atominę sistemą, taigi, norėtume suprasti šią sistemą ir visas jos savybes,“ sako Isaac Silvera iš Harvardo universiteto, pasiekęs šį proveržį kartu su kolega Ranga Dias.

Svarbi prognozė

1935 metais, Eugene Wigner ir Hillard Bell Huntington išsakė prognozę, kad 25 gigapaskalių (GPa) slėgyje kietas molekulinis vandenilis turėtų tapti metalu. Kadangi 25 GPa daugiau nei 200 kartų viršija slėgį Marianų įduboje, šio teiginio patikrinti buvo neįmanoma.

Kaupiantis žinioms apie kvantų pasaulį ir jo įtaką medžiagų savybėms, ši slėgio riba vis augo, ir laboratorijoje jo pasiekti nebuvo įmanoma. Naujesniais vertinimais, norint vandenilį paversti metalu, reikia 400 – 500 GPa slėgio.

Kai Silvera ir Dias sugebėjo paversti vandenilį metalu, tai įvyko 495 GPa slėgyje, gerokai viršijančiame, 360 GPa slėgį Žemės branduolyje.

Tokį didelį slėgį jiems pavyko pasiekti, spaudžiant kietą vandenilį tarp dviejų suplokštintų sintetinių deimantų briaunų viršūnių. Kad deimantai nesuskiltų, jų viršūnės buvo kruopščiai nupoliruotos, taip pašalinant paviršiaus defektus, pakaitinti, atpalaiduojant bet kokius vidinius įtempimus, ir padengti aliuminio oksidu, itin kieta medžiaga, kad neprasiskverbtų vandenilis.

Santykinai neaukštame slėgyje suspaustas kietas vandenilis buvo skaidrus. Slėgį didinant, jis drumstėja ir tamsėja.

Bet pasiekus 495 Gpa, vandenilis buvo blizgus ir spindintis, kas rodė, kad jis tapo metalu (nors tyrėjai nėra užtikrinti, jis kietas ar skystas).

„Nėra itin nuostabu, kad tai vyksta – teoriškai tai buvo numatyta jau prieš 80 metų – bet smagu, kad jiems pagaliau pavyko tai išvysti ir dabar galime gauti daugiau kiekybinių duomenų,“ sako Davidas Ceperley iš Ilinojaus universiteto Urbana-Champaign.

Tyrėjai spėja, kad metalinis vandenilis gali būti superlaidininkas kambario temperatūroje ir sukurtas tokios būsenos gali išlikti ir normaliame slėgyje. Tai reikštų kad iš jo potencialiai galima būtų gaminti superlaidžius laidus, kuriais elektra tekėtų be nuostolių. Komanda taip pat spėja, kad metalinio vandenilio energijos tankis toks didelis, kad vieną dieną jis gali būti panaudotas kaip raketų kuras, daug galingesnis, nei dabar naudojamas – tai būtų kosminio transporto revoliucija.

Leah Crane
newscientist.com

Žurnalo nuoroda: Science, DOI: 10.1126/science.eaal1579