В нормальных условиях водород — газообразный диэлектрик. Согласно теоретическим предсказаниям, сжатый под давлением в 4 млн атмосфер водород должен перейти в металлическое состояние. Большой интерес к проблеме металлического водорода связан прежде всего с вероятным существованием в нём комнатнотемпературной сверхпроводимости. Кроме того, некоторые ученые предполагают, что в определенном интервале температур и напряженностей внешнего магнитного поля водород-металл будет сверхтекучим сверхпроводником — жидкостью с нулевой вязкостью и нулевым сопротивлением. Однако до сих пор подобный переход диэлектрик–металл в водороде не наблюдался, поскольку необходимое для такой трансформации давление находится на пределе экспериментальных возможностей. Американо-российская группа ученых предлагает для изучения экзотических свойств металлического водорода использовать «обогащенные» водородом гидриды лития — LiHn (n = от 2 до 8). Компьютерное моделирование, проведенное исследователями, показало наступление металлической фазы в LiHn при давлении, в 4 раза меньшем, чем требуется для водорода, то есть уже в технологически реализуемых условиях.

В периодической системе химических элементов водород находится в одной группе с щелочными металлами, и казалось бы, должен, как и они, обладать хорошей электропроводностью. Однако в нормальном состоянии (при комнатной температуре и атмосферном давлении) водород — диэлектрик. По-видимому, это логическое противоречие заставило Юджина Вигнера и Хилларда Хантингтона задаться вопросом, при каких условиях водород будет вести себя как металл. В 1935 году вышла их статья On the Possibility of a Metallic Modification of Hydrogen, в которой высказывалась гипотеза, что в водороде, сжатом до 25 ГПа (250 тыс. атмосфер, см. таблицу), будет наблюдаться переход диэлектрик–металл, то есть водород станет металлическим. Подчеркнем, что термин «металлический водород» подразумевает не твердое агрегатное состояние, а характер проводимости — низкое электрическое сопротивление. (Говоря об агрегатных состояниях водорода, на всякий случай напомним, что получить жидкий водород можно, охладив его до 20 К, а понижение температуры еще на 6 К переводит его в твердое состояние.)

Интерес к получению металлического водорода подогрела теоретическая работа советских физиков во главе с Юрием Коганом, появившаяся в начале 70-х годов прошлого века. В ней доказывалось, что водород–металл — метастабильное вещество: будучи одни раз получен под высоким давлением, после снятия давления он не превратится обратно в диэлектрик, а останется металлом. Правда, из статьи Юрия Когана и его коллег не было ясно, насколько продолжительным окажется существование металлического водорода.

Дальнейшие теоретические и экспериментальные исследования показали, что оценка Вигнера и Хантингтона оказалась сильно занижена. Согласно современным представлениям, водород должен «металлизироваться» при давлении 400 ГПа (4 млн атмосфер). Достижимы ли сейчас такие давления? Есть два пути их получения — статическое сжатие с помощью алмазных наковален (подробности см. в обзоре: С. Блок, Г. Пьермарини. Алмазные наковальни открывают новые возможности в физике высоких давлений, PDF, 2,81 Мб // УФН, 1979. Том 127, вып. 4, 705) и импульсное, реализуемое в течение краткого периода с помощью взрывной волны. В первом случае ученые способны «выжать» максимум около 300 ГПа, что недотягивает до теоретических оценок по «металлизации» водорода. Импульсное сжатие производит значительно большее давление, достигающее 1500 ГПа, однако имеет существенные недостатки. В этом процессе происходит сильный нагрев сжимаемого вещества, что позволяет исследовать объект лишь в его жидком состоянии. Помимо этого, такие сверхвысокие давления образуются в течение очень ограниченного времени (порядка микросекунды и меньше), поэтому физики-экспериментаторы не всегда успевают зафиксировать в полной мере необходимые для них характеристики изучаемого материала. Разумеется, ученые всеми возможными способами пытаются уменьшить паразитный нагрев в процессе импульсного сжатия и избежать перехода вещества под давлением в жидкость.

Долгое время существенного прогресса в этом направлении не наблюдалось, однако совсем недавно, в 2009 году, сотрудники Ливерморской национальной лаборатории усовершенствовали импульсный способ, научившись получать давление более 1000 ГПа без значительного увеличения температуры — так что вещество остается в кристаллическом (твердом) состоянии. Благодаря этой технологии ученые изучили механические свойства алмаза, сжатого до 1400 ГПа (подробности эксперимента вместе с описанием методики достижения таких давлений без существенного температурного эффекта можно найти в статье Diamond at 800 GPa в журнале Physical Review Letters).

Источник