Прорыв в физике? Твёрдый металлический водород, возможно, стал реальностью

Учёные из Гарвардского университета стали виновниками крупного научного переполоха, сообщив о получении стабильного образца металлического водорода. Результаты нового исследования вызывают много вопросов, но, если учёным мужам удастся получить их подтверждение, открытие будет иметь огромное значение для человечества.

В 1935 году физики-теоретики впервые предсказали возможность перехода химического элемента водорода в металлическое состояние при давлении 25 гигапаскалей (такого рода значения характерны для недр планет). Однако дальнейшие расчёты и многочисленные эксперименты по сжатию газа показали, что условия, необходимые для образования самого редкого металла во Вселенной, должны быть гораздо более экстремальными.

Только в 1996 году команде исследователей из Ливерморской национальной лаборатории впервые удалось синтезировать металлический водород путём ударного сжатия при температуре, измеряемой в тысячах кельвинов. Однако и тогда, согласно заверению учёных, образец оставался стабильным лишь на одну тысячную долю секунды.

В новой работе Исаак Сильвера (Isaac Silvera) и его коллеги использовали ячейку с алмазными наковальнями. Эта конструкция представляет собой крошечную камеру диаметром менее миллиметра, которая сжимается с двух сторон особым образом обработанными коническими синтетическими алмазами. Благодаря исключительной прочности этого материала, в рабочей области может быть создано давление в несколько миллионов атмосфер. Кроме того, сквозь прозрачные камни можно наблюдать, что происходит внутри.

Учёные наполнили камеру водородом и создали внутри давление в 495 гигапаскалей, что превышает давление в центре земного ядра. В результате молекулы водорода сблизились настолько, что распались на атомы. При этом их ядра выстроились в решётку и потеряли электроны, которые стали беспорядочно двигаться внутри, как в любом другом металле.

"Это святой Грааль физики высоких давлений, – говорит Сильвера в пресс-релизе университета. – Это первый образец металлического водорода на Земле, поэтому, когда вы смотрите на него, вы смотрите на то, что никогда прежде не существовало".

Иллюстрация R. Dias, IF Silvera.

Если громкое заявление американских физиков подтвердится, это может иметь далеко идущие последствия для самых разных отраслей человеческой деятельности. Теоретически сформированный при гигантском давлении металлический водород сохранит свою структуру и свойства при возвращении к обычным земным условиям.

И здесь-то и начинается самое интересное. Расчёты показывают, что такой металл будет демонстрировать сверхпроводящие свойства при комнатной температуре, что немыслимо для существующих сверхпроводников, которые проводят электрический ток без потерь только при температурах, близких к абсолютному нулю.

Обладая таким материалом, можно будет произвести революцию в самых разных областях. В сверхпроводящих катушках энергия может храниться годами без потерь, что повысит энергоэффективность и производительность многих электронных устройств. Кроме того, высокотемпературные сверхпроводники помогут создать левитирующие сверхскоростные поезда и электромобили, преодолевающие на одной зарядке значительно большие расстояния чем сегодняшние модели.

Большие надежды на металлический водород возлагаются и в плане создания ракетного топлива нового поколения, которого так не хватает, для того чтобы принципиально увеличить дальность космических полётов.

"Он вбирает в себя огромное количество энергии, чтобы превратиться в металлический водород, — продолжает Сильвера. – И если преобразовать его обратно в молекулярный водород, то она будет высвобождаться, что позволит создать самое мощное на сегодняшний день ракетное топливо и даже совершить революцию в ракетостроении".

Но, как оказалось, далеко не все специалисты в восторге, как от самого эксперимента, так и от его результатов. Среди резко высказавшихся исследователей российско-немецкий физик Михаил Еремец, профессор Евгений Григорьянц из Университета Эдинбурга, физик высокого давления Рэймонд Джинлоз (Raymond Jeanloz) из Университета Калифорнии в Беркли и некоторые другие. Основных претензий – две. Во-первых, при обработке алмазов для наковальни на них была нанесена тонкая плёнка оксида алюминия. Некоторые учёные, не принимавшие участие в работе, считают, что то, что исследователи увидели под микроскопом, вполне могло быть металлическим алюминием. Во-вторых, многих насторожила единичность эксперимента (то, что его пока не повторили).

Сейчас все, включая и самих авторов работы, с нетерпением ждут результатов уточняющих экспериментов. Всё это время камера будет оставаться в зажатом состоянии. Физики должны подтвердить прежде всего, что получили именно твёрдый металл и что это металл вообще. Также было бы неплохо отдельно выяснить, как при столь экстремальных условиях эксперимента ведёт себя оксид алюминия.

Когда все тесты будут проделаны, алмазные тиски разожмут и можно будет приступить к повторению эксперимента. А до тех пор "битву за металлический водород" нельзя будет считать завершённой.

Статья с результатами громкого исследования была опубликована в издании Science.