Fig. 1. Reteaua cristalina LiH2 metalica si LiH6 sub o presiune de 150 GPa. Litiu atomi sunt prezentate în verde. Purpuri - atomi de hidrogen asociate cu litiu. Culoarea albă prezintă atomii de hidrogen "aparținând" moleculei de hidrogen H2. Se poate spune că ambele hidruri de litiu sunt un aliaj de două metale: primul metal este legat chimic de atomii de litiu și hidrogen, al doilea este atomii combinați în molecula H2. Culoarea roșie pe figura dreaptă cuprinde una din asociațiile moleculare de H2. Parametrii structurali ai LiH2 și LiH6 sunt furnizați în materiale suplimentare la articolul în discuție în PNAS
În condiții normale, hidrogenul este un dielectric gazos. Conform previziunilor teoretice, hidrogenul comprimat sub o presiune de 4 milioane de atmosfere trebuie să intre într-o stare metalică. Marele interes pentru problema hidrogenului metalic este asociat în primul rând cu existența probabilă a supraconductivității în cameră-temperatură. În plus, unii oameni de știință sugerează că într-o anumită gamă de temperaturi și concentrații ale câmpului magnetic extern, hidrogenul-metal va fi un supraconductor superfluid - un lichid cu vâscozitate zero și rezistență zero. Cu toate acestea, până în prezent nu a fost observată o astfel de tranziție izolator-metal în hidrogen, deoarece presiunea necesară pentru o astfel de transformare este la limita posibilităților experimentale. Grupul american-rus de oameni de știință propune utilizarea hidrurilor de litiu îmbogățite cu hidrogen-LiHn (n = 2 până la 8) pentru a studia proprietățile exotice ale hidrogenului metalic. Simularea computerizată efectuată de cercetători a arătat debutul fazei metalice în LiHn la o presiune de 4 ori mai mică decât cea necesară pentru hidrogen, adică deja în condiții tehnologice realizabile.
Tabel comparativ al valorilor presiunilor
Presiune (în atmosferă)
Interesul pentru obținerea hidrogenului metalic a fost încălzit de munca teoretică a fizicienilor sovietici conduse de Yuri Kogan, care a apărut la începutul anilor 1970. Sa demonstrat că hidrogenul-metal este o substanță metastabilă: odată ce a fost obținută sub presiune înaltă, după depresurizare nu se va întoarce înapoi într-un dielectric, ci va rămâne un metal. Este adevărat, din articolul lui Yuri Kogan și al colegilor săi, nu a fost clar cât timp va exista existența hidrogenului metalic.
Alte studii teoretice și experimentale au arătat că evaluarea lui Wigner și Huntington a fost mult subestimată. Conform ideilor moderne, hidrogenul ar trebui "metalizat" la o presiune de 400 GPa (4 milioane de atmosfere). Sunt astfel de presiuni acum realizabile? Există două modalități de a obține - compresie statice utilizând nicovale diamant (a se vedea detalii în revizuire: .. S. Block, G. Piermarini nicovale diamant deschide noi oportunități în înaltă presiune fizica PDF, 2,81 MB // UFN, 1979, voi. 127, issue 4, 705) și pulsată, realizată pentru o scurtă perioadă de timp prin intermediul unei valuri explozive. In primul caz, oamenii de știință sunt capabili să „stoarce“ maxim de aproximativ 300 GPa, care nedotyagivaet estimărilor teoretice ale „placare“ de hidrogen. Compresia impulsurilor produce o presiune mult mai mare ajungând la 1500 GPa, dar are dezavantaje semnificative. În acest proces are loc o încălzire puternică a substanței comprimabile, ceea ce face posibilă studierea obiectului numai în stare lichidă. În plus, astfel de presiuni ultrahigh sunt produse pentru un timp foarte limitat (de ordinul microsecundelor și mai puțin), cu toate acestea experimentatori fizica nu reușesc întotdeauna să se stabilească pe deplin necesare pentru caracteristicile lor ale materialului studiat. Desigur, oamenii de stiinta in toate modurile posibile incearca sa reduca incalzirea parazitica in procesul de compresie impuls si sa evite trecerea substantei sub presiune in lichid.
Experimente privind "metalizarea" hidrogenului
Primele sugestii privind tranzitia izolatorului-metal în hidrogen au apărut în 1969. Un grup de fizicieni experimentali sovietici condus de Leonid Vereshchagin de la Institutul de Fizică înaltă Presiune. la o temperatură de 4,2 K și o presiune de aproximativ 100 GPa (metoda statică) a observat o scădere bruscă a rezistenței electrice a hidrogenului cu 6 ordine de mărime (de un milion de ori). Adevărat, pornind de la aceste date, oamenii de știință nu au îndrăznit să identifice hidrogenul ca metal, având denumirea articolului Posibilitatea trecerii hidrogenului într-o stare metalică (PDF, 103 Kb).
Dintre lucrările care sunt aproape de timpul nostru, merită menționat munca de cercetare a cercetătorilor americani de la Laboratorul Național Livermore la mijlocul anilor 1990. Folosind compresia impulsului (temperatura a fost de aproximativ 3000 K), au descoperit o scădere a rezistenței hidrogenului lichid de 10 000 de ori cu o creștere a presiunii de la 93 la 140 GPa. Adevărat, să spunem că în acest experiment a fost observată trecerea hidrogenului de la starea dielectrică la starea metalică, este încă imposibil: un studiu suplimentar al structurii interne a arătat că nu a devenit metal. De fapt, exista doar un lichid cu un tip de conductivitate asemanator cu cel metalic.
Deci, să rezumăm subtotal. În ciuda realizărilor locale, nu există dovezi directe de "metalizare" a hidrogenului până acum.
Ce este interesant despre hidrogenul metalic?
În general, problema a rămas pentru mic - pentru a realiza "metalizarea" hidrogenului.
Îmbogățirea substanțelor cu hidrogen - calea spre "metalizare"
Și aici oamenii de știință au inventat o soluție - pentru a rezolva problema "metalizării" s-au folosit compuși care conțin hidrogen în cantități mari. Primul care a ghicit o astfel de abordare alternativă a fost din nou Neil Ashcroft. El a propus utilizarea hidrurilor de elemente din grupa a IV-a a sistemului periodic al lui Mendeleev - siliciu, staniu, germaniu. Conform lui Ashcroft, silanul (SiH4), germaniul (GeH4) și hidrura de staniu (SnH4) ar trebui să devină metale stabile stabile la presiuni de câteva ori mai mici de 400 GPa necesare producerii hidrogenului metalic. În plus, compușii menționați mai sus, conform unor calcule, trebuie să fie, de asemenea, supraconductori de temperatură ridicată. De exemplu, hidrura de staniu, după cum rezultă din această lucrare, este un metal stabil în intervalul de presiune de la 70 la 160 GPa, care are o temperatură de tranziție critică de 80 K la 120 GPa.
Care este valoarea temperaturii Debye pentru supraconductivitate? Pentru a înțelege acest lucru, vom face o scurtă deviere în teoria acestui fenomen. La nivel microscopic, cauza superconductivității este unificarea tuturor electronilor conductivi ai materiei în perechi Cooper. Atracția dintre electroni are loc din cauza interacțiunii dintre ele și fononii cristal cu zăbrele (particule - lipsite de masă de mișcare cuante de vibrație a rețelei cristaline a atomilor) și se numește electron-fonon. "Forța" atracției electron-fononice este determinată de cantitatea dimensională - constanta de interacțiune electron-fonon. Repulsia obișnuită de Coulomb dintre electroni nu a mers nicăieri - este pur și simplu mai slabă într-un superconductor decât o interacțiune electron-fonon. În teoria supraconductivitatii interacțiunea Coulomb se caracterizează printr-o constantă adimensională specială, denumită pseudopotential Anderson-Morel sau potențial Coulomb. Este prin pseudo-Morel Anderson - împreună cu constanta interacțiunii electron-fonon și temperatura Debye - exprimată formula McMillan pentru Tc superconductor care perechile Cooper sunt formate de fononi. Cu cât temperatura Debye, cu atât mai mare interacțiunea electron-fonon și mai mic potențialul Coulomb repulsiv, mai mare temperatura critică a substanței