Твердый водород и нетвердые доказательства

Гарвардские физики заявили, что получили в лабораторных условиях твердый металлический водород. Является ли это важнейшим прорывом в науке или ученые просто выдали желаемый результат за действительный? Есть ли основания сомневаться в открытии, или скептики просто завидуют? Indicator.Ru выясняет вместе с профессором РАН, профессором Сколковского института науки и технологий Артемом Огановым и профессором НИЯУ «МИФИ», доктором физико-математических наук Николаем Кудряшовым.

В журнале Science была опубликована работа, в которой авторы заявляют о первом успешном получении водорода в фазе твердого металлического вещества. Сами ученые называют свое достижение ни много ни мало «Святым Граалем физики высокого давления».

Немного истории

Открытие имеет долгую историю и довольно любопытные и важные перспективы. В 1935 году известный физик Юджин Вигнер со своим коллегой Хиллардом Хантингтоном из Принстонского университета опубликовали в журнале (Journal of Chemical Physics, vol. 3, No. 12, 1935) статью, в которой теоретически предсказали, что при повышенном давлении до 250 тысяч атмосфер у водорода происходит фазовый переход, в результате которого появляется кристаллическая решетка и водород становится металлом.

Тридцать три года спустя, в 1968 году, Нейл Эшкрофт из Корнельского университета в своей теоретической работе (Physical Review Letters, vol. 21, 1968, p. 1748) показал, что металлический водород будет высокотемпературным сверхпроводником и критическая температура его перехода в сверхпроводящее состояние будет равняться комнатной или даже выше. Легко догадаться, какой технологический прорыв мог бы появиться, если бы ученым удалось получить металлический водород в достаточном количестве. Так возникли невероятно оптимистические перспективы технических приложений металлического водорода.

В действительности, более точные расчеты (Н.А. Кудряшов, А.А. Кутуков, Е.А. Мазур, Письма в ЖЭТФ, том 104, вып. 7, 1916, С. 488) показали, что критическая температура металлического водорода в фазе I41/AMD, той самой, которая изучалась Рангой Диас и Айзеком Сильверой при давлении в 500 миллионов атмосфер, дает величину температуры перехода в сверхпроводящее состояние 215 K, то есть –58°C.

Таким образом, начиная с 1970 годов проблема получения металлического водорода остается одной из важных, перспективных и волнующих научных тем.

Еще более привлекательной и интересной эта тема стала после того, как в работах академика Юрия Кагана и его коллег из научного центра «Курчатовский институт» (Успехи физических наук, том 105, 1971, с.77 и более поздние статьи) было установлено, что металлический водород должен иметь метастабильные свойства. Это значит, что после его получения металл будет в течение некоторого времени (возможно, достаточно продолжительного) оставаться в том состоянии, в котором он был получен. Определение времени, в котором вещество остается стабильным, — отдельная задача.

Между взрывом и наковальней

Проблема получения металлического водорода оказалась связанной с изучением поведения вещества при высоких давлениях и при низких температурах. Высокие давления в настоящее время получаются с помощью статического сжатия вещества в алмазной наковальне или при динамическом сжатии с помощью взрыва.

Получить в алмазной наковальне металлический водород не так просто. Дело в том, что оценка давления, до которого надо было сжимать водород, следовавшая из работы Вигнера и Хантингтона, оказалось намного заниженной. Кроме того, работать с водородом сложно, поскольку он хорошо растворяется во многих металлах и легко проникает в них вследствие легкости своих молекул.

При взрывном сжатии удается достигать бо́льших давлений, чем в алмазных наковальнях, но при взрывах всегда получаются высокие температуры и технологически трудно получить низкие. При этом возникает еще одна проблема, связанная с высоким давлением при взрыве. Оно быстро уменьшается после испытания, и провести его измерения за короткое время непросто. Тем не менее такие работы проводятся в некоторых отечественных и зарубежных лабораториях.

В своем интервью газете «Harward gazette» профессор Сильвера сообщил, что им удалось преодолеть все трудности эксперимента и получить наконец-то некоторое количество одной из фаз металлического водорода. Он заявил, что «это первый в мире образец металлического водорода на Земле, и, когда вы на него смотрите, вы видите то, что никто никогда не видел прежде».

Основной трудностью при подготовке и проведении эксперимента Диаса и Сильверы явилось достижение высокого давления при сжатии водорода в алмазной наковальне без разрушения алмазов. Исследователи использовали два небольших синтетических алмаза с уникально обработанными поверхностями, установленными в алмазной ячейке. Поверхности соприкосновения с водородом, покрывались тонким слоем оксида алюминия с целью предотвращения процесса диффузии в кристаллическую структуру. В результате исследователи получили сверхэкстремальное давление, равное 495 миллионам атмосфер, и сверхнизкую температуру, равную 3 K.

Вначале материал в алмазной наковальне имел блестящую поверхность, но «с ростом давления материал стал черным, и мы полагаем, что это произошло потому, что он стал полупроводником, способным поглощать свет, — сказал профессор Сильвера. — Затем мы еще больше увеличили давление, и материал стал блестящим. Отражательная способность его была чрезвычайно высокой, около 90%. Это примерно равно отражающей способности полированного алюминия».

Профессор Дэвид Кэперли из Университета штата Иллинойс, не принимавший участия в исследовании, считает, что «в случае подтверждения этого открытия будет положен конец поискам, продолжавшимся не одно десятилетие. Это открытие может стать новым значительным шагом в понимании самого распространенного элемента во Вселенной».

Мнение эксперта

Корреспондент Indicator.Ru поговорил об открытии с профессором Сколковского института науки и технологий, профессором и заведующим лабораторией компьютерного дизайна материалов в Университете штата Нью-Йорк в Стоуни-Брук, профессором РАН, специалистом по физике и химии высоких давлений Артемом Огановым.

— Действительное ли это самое первое свидетельство получения твердого металлического водорода?

— Похоже на правду. Однако нужно сохранять здоровую долю осторожности. Все вещества при давлении должны металлизоваться, но у каждого вещества это давление свое. Рано или поздно будет достигнуто давление, при котором водород станет металлом. Было по меньшей мере две работы, в которых объявлялось о синтезе твердого металлического водорода, но поддержки всего научного сообщества ни то, ни другое сообщение не получило. В этот раз похоже, что работа группы Айзека Сильверы такую поддержку получает, хотя скептицизм остается.

Айзек Сильвера к этой цели стремился всю свою жизнь. Он получил PhD еще в 1965 году, все время занимался водородом и попытками получения его в металлической фазе. И мне кажется замечательным событием, что в завершении карьеры ему, похоже, удалось достигнуть этой цели.

Результаты этой работы свидетельствуют, что водород, как и любое другое вещество, при достаточном сжатии превращается в металл, подтверждая ожидания физиков. Для металлического водорода предсказываются очень интересные свойства, например сверхпроводимость при почти комнатных температурах. Но надо сказать, что предположения о наличии сверхпроводимости в металлическом водороде были многочисленны и предсказываемая ими температура сверхпроводящего перехода существенно разнилась. Самая надежная оценка была сделана несколько лет назад в работе группы Гросса — 240 K (-33°C).

— Водород образует много различных фаз при низких температурах и высоких давлениях: твердое вещество из молекул, промежуточное фаза полупроводника и другие. Твердое металлическое состояние — это последняя фаза, которую до этого не удавалось получить, или у водорода есть еще специфические модификации?

— Поведение водорода очень сложное, поэтому трудно сказать. К тому же постоянно открывают новые разновидности. Совсем недавно, например, было открыто состояние, в котором графеноподобные слои перемежаются с молекулами H₂ — достаточно необычный вариант, также существующий только при высоких давлениях. Я думаю, последнее слово в этой области еще не сказано. Даже в уже достигнутом диапазоне давлений и температур много может быть открыто.

Фазовая диаграмма водорода очень сильно осложняется дополнительными эффектами. Во-первых, очень большую роль могут играть квантовые эффекты нулевых колебаний атомов — это следствие принципа неопределенности приводит к тому, что атомы и при абсолютном нуле не находятся в покое, и этот эффект максимален для легких элементов вроде водорода. Во-вторых, ситуация с водородом осложняется влиянием различных изотопов. У протия, дейтерия и трития и их смесей в различных пропорциях будут очень непохожие давления переходов, не исключены и различные фазы. Кроме того, ядро водорода обладает спином, поэтому могут появиться дополнительные состояния, связанные с взаимной ориентацией спинов (параводород и ортоводород). Кстати, именно Айк Сильвера внес очень большой вклад в понимание влияния ядерных спиновых эффектов на фазовую диаграмму. В целом можно сказать, что водород — элемент очень непростой.

— Некоторые специалисты не спешат признавать эти результаты как окончательное подтверждение получения твердой металлической фазы. Как вы считаете, измерение какой физической величины полностью может развеять сомнение?

— Полученное вещество, несомненно, является твердым, так как для водорода известна кривая плавления. Вопрос в том, обладает ли оно металлическими свойствами. Самое прямое доказательство — измерение электропроводности или отражающей способности.

Могла бы помочь рамановская спектроскопия, хотя этим методом сложно исследовать металлы, так как рассеяние происходит только в приповерхностном слое, а не в толще кристалла. Возможно, неупругое рентгеновское рассеяние, но и с ним будут трудности, поскольку водород плохо рассеивает рентгеновские лучи. Водород хорошо рассеивает нейтроны, но нужен большой образец, а в данном случае говорить об этом не приходится. Также очень сильным подтверждением было бы решение рентгенодифракционным изучением кристаллической структур, но слабое рассеяние рентгеновских лучей атомами водорода опять же затрудняет проведение этого анализа.

— Вы разрабатываете методы предсказания фаз веществ с помощью компьютерного моделирования. В вашей группе проводились расчеты для водорода?

— Нет, мы чистым водородом практически не занимались. Отчасти это связано с тем, что теория его описания недостаточно точна. Отчасти это связано с неполным описанием всех нужных эффектов, о которых мы говорили — а без этого расчеты могут оказаться бессмысленными. Впрочем, учитывая сложности экспериментального изучения водорода, наиболее перспективным может оказаться именно совместное теоретико-экспериментальное исследование.

— Каковы, на ваш взгляд, перспективы сохранения этой фазы в стабильном или метастабильном состоянии при уменьшении давления до атмосферного?

— Какие-то материалы сохраняются при снятии давления, а какие-то исчезают — точнее, превращаются в более стабильные и более обыденные состояния. Алмаз является одним из многих примеров веществ, образующихся под давлением и сохраняющихся при снятии давления. В случае металлического водорода шансов на сохранение при снятии давления практически нет.

Доля сомнения

Впрочем, представление прорывного открытия научному сообществу прошло не совсем гладко. Уже 26 января новостной портал журнала Nature опубликовал заметку под названием «Физики сомневаются в смелом сообщении о твердом водороде». Заголовок задал тон всей публикации: сомнения вызвала как новизна опыта, так и все открытие — однако Nature не давала особенно серьезных аргументов, предпочитая заявления в стиле «не верю». «Мне эта научная статья вообще не представляется убедительной», — сказал французский физик Поль Лубейр.

Американский геофизик Александр Гончаров не уверен, что блестящее вещество, которое увидели исследователи — это на самом деле водород (это может быть и оксид алюминия на поверхности алмазов в наковальне). Евгений Грегорьянц (Эдинбургский университет) считает проблемным то, что Диас и Сильвера только один раз произвели замеры своего образца под высоким давлением — остается неясным, как давление менялось в ходе эксперимента.

«Я знаю, что многие специалисты в области высоких давлений высказывают сомнения, указывая, что высокая отражательная способность металла может объясняться присутствием загрязнений в составе алмазов, например, окиси алюминия. Однако, если авторам удалось достичь давления почти в 500 миллионов атмосфер в алмазном прессе, то можно, действительно, ожидать переход водорода в металлическое состояние», — заявил профессор Маркус Кнудсон из Национальных лаборатории Сандии.

«Люди имеют право сомневаться, — считает Артем Оганов. — Такой предмет, как металлический водород, был предметом стольких попыток, сенсаций, разочарований, интриг всяких, войн и так далее. Это очень накаленный предмет. Поэтому люди будут сопротивляться и сомневаться до самого до самого последнего момента.

Я посмотрел статью Сильвера и Диаса. Конечно, у них мало данных. Но, если вы хотите мое интуитивное ощущение, мне кажется, что они водород этот нашли.

Я не вижу каких-то страшных противоречий, и вообще я не вижу никаких противоречий – между тем, что они опубликовали, и тем, что в общем я ожидал. Не вижу противоречий в давлении перехода, тот экспериментальный подход, который они использовали, мне кажется тоже совершенно разумным. Люди шли к такому эксперименту десятилетиями. Попытка воспроизвести и подтвердить или опровергнуть этот эксперимент займет, может быть, год-два-три и так далее. Но опять же будут скептики, будут люди, которые захотят иметь больше данных. Это неудивительно. Представьте, что есть несколько людей, которые всю жизнь стремились к получению металлического водорода. И представьте себе, вы видите, как на ваших глазах кто-то утверждает, что он эту цель уже достиг… Очень многие люди воспринимают это как свою личную победу или поражение».

Завершают свой текст авторы Nature таким пассажем: «несмотря на все позиции скептиков, в опубликованных Science и Гарвардским университетом пресс-релизах уверенно объявляется о получении металлического водорода». Невольно появляется мысль: не появилась ли столь ядовитая по тону публикация в Nature News из-за зависти к конкуренту (Science), который получил честь впервые сообщить о великом открытии?

Авторы — Николай Кудряшов, Тимур Кешелава, Артем Космарский, Алена Манузина

Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: Facebook, ВКонтакте, Twitter, Telegram.