Hidrogen metalic - Metallic hydrogen

Hidrogenul metalic este o fază a hidrogenului în care se comportă ca un conductor electric . Această fază a fost prezisă în 1935 din motive teoretice de Eugene Wigner și Hillard Bell Huntington .

La presiuni și temperaturi ridicate, hidrogenul metalic poate exista mai degrabă ca un lichid parțial decât ca un solid , iar cercetătorii cred că ar putea fi prezent în cantități mari în interiorul cald și comprimat gravitațional din Jupiter și Saturn , precum și în unele exoplanete .

Predicții teoretice

O diagramă a lui Jupiter care prezintă un model al interiorului planetei, cu un miez stâncos acoperit de un strat profund de hidrogen metalic lichid (prezentat ca magenta) și un strat exterior predominant de hidrogen molecular . Adevărata compoziție interioară a lui Jupiter este incertă. De exemplu, miezul s-a micșorat ca curenți de convecție a hidrogenului metalic lichid fierbinte amestecat cu miezul topit și a dus conținutul său la niveluri superioare în interiorul planetei. Mai mult, nu există o limită fizică clară între straturile de hidrogen - odată cu creșterea adâncimii, gazul crește ușor în temperatură și densitate, devenind în cele din urmă lichide. Caracteristicile sunt prezentate la scară, cu excepția aurorelor și orbitelor lunilor galileene .

Hidrogen sub presiune

Deși adesea plasat în partea de sus a coloanei de metal alcalin în tabelul periodic , hidrogenul nu prezintă, în condiții obișnuite, proprietățile unui metal alcalin. În schimb, formează H diatomic
2molecule, analoage cu halogeni și unele nemetale din a doua perioadă a tabelului periodic, cum ar fi azotul și oxigenul . Hidrogenul diatomic este un gaz care, la presiunea atmosferică , lichefiază și se solidifică numai la o temperatură foarte scăzută (20 grade și , respectiv, 14 grade peste zero absolut ). Eugene Wigner și Hillard Bell Huntington au prezis că, sub o presiune imensă de aproximativ 25 GPa (250.000 atm; 3.600.000 psi), hidrogenul va prezenta proprietăți metalice : în loc de H discret
2molecule (care constau din doi electroni legați între doi protoni), s-ar forma o fază în vrac cu o rețea solidă de protoni și electronii delocalizați peste tot. De atunci, producerea hidrogenului metalic în laborator a fost descrisă ca „... sfântul graal al fizicii de înaltă presiune”.

Predicția inițială despre cantitatea de presiune necesară s-a dovedit în cele din urmă a fi prea mică. De la prima lucrare realizată de Wigner și Huntington, calculele teoretice mai moderne indică presiuni de metalizare mai mari, dar totuși potențial realizabile, de aproximativ 400 GPa (3.900.000 atm; 58.000.000 psi).

Hidrogen metalic lichid

Heliul-4 este un lichid la presiune normală aproape de zero absolut , o consecință a energiei sale ridicate în punct zero (ZPE). ZPE-ul protonilor într-o stare densă este, de asemenea, ridicat și se așteaptă o scădere a energiei de comandă (relativ la ZPE) la presiuni ridicate. Neil Ashcroft și alții au argumentat că există un punct de topire maxim în hidrogenul comprimat , dar și că ar putea exista o gamă de densități, la presiuni în jur de 400 GPa, unde hidrogenul ar fi un metal lichid, chiar și la temperaturi scăzute.

Geng a prezis că ZPE-ul protonilor într-adevăr reduce temperatura de topire a hidrogenului la un minim de 200-250 K (−73 - −23 ° C) la presiuni de 500–1,500 GPa (4.900.000–14.800.000 atm; 73.000.000–218.000.000 psi).

În această regiune plană ar putea exista o mezofază elementară intermediară între starea lichidă și solidă, care ar putea fi stabilizată metastabil până la temperatură scăzută și să intre într-o stare supersolidă .

Superconductivitate

În 1968, Neil Ashcroft a sugerat că hidrogenul metalic ar putea fi un superconductor , până la temperatura camerei (290 K sau 17 ° C). Această ipoteză se bazează pe o cuplare puternică așteptată între electronii de conducție și vibrațiile rețelei . Acest lucru ar fi putut fi confirmat de la începutul anului 2019, hidrogenul metalic a fost fabricat cel puțin de două ori în laborator și un efect Meissner de 250K a fost observat provizoriu, dar nu a fost verificat independent de Silvera și colab. Și o echipă din Franța.

Ca propulsor de rachetă

Hidrogenul metalic metastabil poate avea potențial ca propulsor de rachetă extrem de eficient, cu un impuls teoretic specific de până la 1700 de secunde, deși este posibil să nu existe o formă metastabilă adecvată pentru producția în masă și stocarea convențională de volum mare.

Posibilitatea de noi tipuri de fluid cuantic

Stările „super” ale materiei cunoscute în prezent sunt supraconductori , lichide și gaze superfluide și supersolizi . Egor Babaev a prezis că, dacă hidrogenul și deuteriul au stări metalice lichide, ar putea avea stări cuantice ordonate care nu pot fi clasificate ca supraconductoare sau superfluide în sensul obișnuit. În schimb, acestea ar putea reprezenta două posibile noi tipuri de fluide cuantice : superfluidele supraconductoare și superfluidele metalice . S-a prezis că astfel de fluide au reacții extrem de neobișnuite la câmpurile și rotațiile magnetice externe, care ar putea oferi un mijloc de verificare experimentală a predicțiilor lui Babaev. De asemenea, s-a sugerat că, sub influența unui câmp magnetic, hidrogenul ar putea prezenta tranziții de fază de la superconductivitate la superfluiditate și invers.

Aliajul cu litiu reduce presiunea necesară

În 2009, Zurek și colab. a prezis că aliajul LiH
6ar fi un metal stabil la doar un sfert din presiunea necesară pentru metalizarea hidrogenului și că ar trebui să aibă efecte similare pentru aliajele de tip LiH _n și eventual „alte sisteme alcaline cu hidrură ridicată ”, adică aliajele de tip XH _n unde X este un metal alcalin . Aceasta a fost ulterior verificat în ach ₈ și LAH ₁₀ cu T _c se apropie de 270K conducând la speculația că alți compuși pot fi chiar și stabilă la doar presiuni MPa cu superconductivitatea temperatura camerei.

Urmărire experimentală

Compresie unde de șoc, 1996

În martie 1996, un grup de oameni de știință de la Laboratorul Național Lawrence Livermore au raportat că au produs serendipit primul hidrogen metalic identificabil pentru aproximativ o microsecundă la temperaturi de mii de kelvini , presiuni de peste 100 GPa (1.000.000 atm; 15.000.000 psi) și densități de aproximativ0,6 g / cm ³ . Echipa nu se aștepta să producă hidrogen metalic, deoarece nu folosea hidrogen solid , considerat necesar, și lucra la temperaturi peste cele specificate de teoria metalizării. Studiile anterioare în care hidrogenul solid a fost comprimat în nicovalele diamantate la presiuni de până la 250 GPa (2.500.000 atm; 37.000.000 psi), nu au confirmat metalizarea detectabilă. Echipa a căutat pur și simplu să măsoare schimbările de conductivitate electrică mai puțin extreme pe care le așteptau. Cercetătorii au folosit un pistol cu gaz ușor din epoca anilor 1960 , folosit inițial în studii de rachete ghidate , pentru a trage o placă de impact într-un recipient sigilat care conține un eșantion de hidrogen lichid gros de o jumătate de milimetru . Hidrogenul lichid a fost în contact cu fire care conduc la un dispozitiv de măsurare a rezistenței electrice. Oamenii de știință au descoperit că, odată cu creșterea presiunii la 140 GPa (1.400.000 atm; 21.000.000 psi), decalajul benzii electronice de energie , o măsură a rezistenței electrice , a scăzut la aproape zero. Decalajul de bandă al hidrogenului în starea sa necomprimată este de aproximativ15 eV , făcându-l un izolator , dar, pe măsură ce presiunea crește semnificativ, decalajul de bandă a scăzut treptat la0,3 eV . Deoarece energia termică a fluidului (temperatura a devenit de aproximativ 3.000 K sau 2.730 ° C datorită comprimării probei) a fost mai mare0,3 eV , hidrogenul ar putea fi considerat metalic.

Alte cercetări experimentale, 1996–2004

Multe experimente continuă în producția de hidrogen metalic în condiții de laborator la compresie statică și temperatură scăzută. Arthur Ruoff și Chandrabhas Narayana de la Universitatea Cornell în 1998, iar mai târziu Paul Loubeyre și René LeToullec de la Commissariat à l'Énergie Atomique , Franța în 2002, au arătat că la presiuni apropiate de cele din centrul Pământului (320-340 GPa sau 3.200.000-3.400.000 atm) și temperaturi de 100-300 K (-173-27 ° C), hidrogenul nu este încă un adevărat metal alcalin, din cauza decalajului de bandă diferit de zero. Căutarea de a vedea hidrogenul metalic în laborator la temperatură scăzută și compresie statică continuă. De asemenea, sunt în curs de desfășurare studii privind deuteriul . Shahriar Badiei și Leif Holmlid de la Universitatea din Gothenburg au arătat în 2004 că stările metalice condensate formate din atomi de hidrogen excitați ( materia Rydberg ) sunt promotori eficienți ai hidrogenului metalic.

Experiment de încălzire cu laser pulsat, 2008

Maximul teoretic estimat al curbei de topire (condiția prealabilă pentru hidrogenul metalic lichid) a fost descoperit de Shanti Deemyad și Isaac F. Silvera prin utilizarea încălzirii cu impulsuri laser. Silan molecular bogat în hidrogen ( SiH
4) a fost pretins a fi metalizat și a devenit supraconductor de MI Eremets și colab. . Această afirmație este contestată, iar rezultatele lor nu au fost repetate.

Observarea hidrogenului metalic lichid, 2011

În 2011, Eremets și Troyan au raportat observarea stării metalice lichide a hidrogenului și a deuteriului la presiuni statice de 260-300 GPa (2.600.000-3.000.000 atm). Această afirmație a fost pusă la îndoială de alți cercetători în 2012.

Mașina Z, 2015

În 2015, oamenii de știință de la Z Pulsed Power Facility au anunțat crearea deuteriului metalic folosind deuteriu lichid dens , o tranziție electrică de la izolator la conductor asociată cu o creștere a reflectivității optice.

Observație revendicată a hidrogenului metalic solid, 2016

La 5 octombrie 2016, Ranga Dias și Isaac F. Silvera de la Universitatea Harvard a lansat cererile de dovezi experimentale că hidrogenul metalic solid au fost sintetizate în laborator , la o presiune de aproximativ 495 gigaPa (4890000 atm ; 71800000 psi ) folosind o celulă de diamant nicovală . Acest manuscris a fost disponibil în octombrie 2016, iar o versiune revizuită a fost publicată ulterior în revista Science în ianuarie 2017.

În versiunea de preimprimare a lucrării, Dias și Silvera scriu:

Odată cu creșterea presiunii, observăm schimbări în eșantion, trecând de la transparent, la negru, la un metal reflectorizant, acesta din urmă studiat la o presiune de 495 GPa ... reflectanța utilizând un model de electroni liberi Drude pentru a determina frecvența plasmatică de 30,1 eV la T = 5,5 K, cu o densitate corespunzătoare a purtătorului de electroni de6,7 × 10 ²³ particule / cm ³ , în concordanță cu estimările teoretice. Proprietățile sunt cele ale unui metal. Hidrogenul metalic solid a fost produs în laborator.

- Dias & Silvera (2016)

Silvera a declarat că nu și-au repetat experimentul, deoarece mai multe teste ar putea deteriora sau distruge eșantionul existent, dar a asigurat comunitatea științifică că vor urma mai multe teste. El a mai declarat că presiunea va fi în cele din urmă eliberată, pentru a afla dacă eșantionul este metastabil (adică dacă va persista în starea sa metalică chiar și după ce presiunea a fost eliberată).

La scurt timp după ce cererea a fost publicată în știință , Natura e divizia de știri a publicat un articol care să ateste că unii alți fizicieni privit rezultatul cu scepticism. Recent, membri proeminenți ai comunității de cercetare de înaltă presiune au criticat rezultatele revendicate, punând sub semnul întrebării presiunile revendicate sau prezența hidrogenului metalic la presiunile revendicate.

În februarie 2017, s-a raportat că eșantionul de hidrogen metalic revendicat s-a pierdut, după ce nicovalele de diamant între care era cuprins s-au rupt.

În august 2017, Silvera și Dias au emis o eroare la articolul Știința , cu privire la valorile de reflectanță corectate datorate variațiilor dintre densitatea optică a diamantelor naturale stresate și diamantele sintetice utilizate în celula lor de nicovală de pre-compresie .

În iunie 2019, o echipă de la Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (French Alternative Energies & Atomic Energy Commission) a afirmat că a creat hidrogen metalic la aproximativ 425GPa folosind o celulă de nicovală cu profil toroidal produs prin prelucrarea fasciculului de electroni.

Experimente privind deuteriul fluid la instalația națională de aprindere, 2018

În august 2018, oamenii de știință au anunțat noi observații cu privire la transformarea rapidă a fluidului deuteriu dintr-o formă izolantă într-o formă metalică sub 2000 K. Se găsește un acord remarcabil între datele experimentale și predicțiile bazate pe simulările Quantum Monte Carlo, care se așteaptă să fie cea mai exactă metodă până în prezent. Acest lucru îi poate ajuta pe cercetători să înțeleagă mai bine planetele gigantice de gaz , cum ar fi Jupiter, Saturn și exoplanetele conexe , deoarece se crede că astfel de planete conțin o mulțime de hidrogen metalic lichid, care poate fi responsabil pentru câmpurile magnetice puternice observate .

Languages

In other projects