Μέταλλο υδρογόνου στον ορίζοντα

Από σελίδα του PhysicsWeb, 10 Απριλίου 2002

Οι επιστήμονες ανέμεναν από καιρό το στερεό υδρογόνο να γίνει ένα μέταλλο όταν συμπιεστεί, αλλά μέχρι σήμερα είχε ανιχνευθεί ηλεκτρική αγωγιμότητα μόνο στο υγρό υδρογόνο. Τώρα μια πειραματική μελέτη του στερεού υδρογόνου σε πιέσεις μέχρι 320 GPa προβλέπει ότι θα γίνει μεταλλικό κάτω από μια πίεση 450 GPa - πάνω από τέσσερα εκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από την ατμοσφαιρική πίεση. Οι Rene LeToullec και συνεργάτες στο CEA στη Γαλλία επίσης διαπίστωσαν ότι το στερεό υδρογόνο γίνεται αδιαφανές - ή "μαύρο" - κάτω από τη συμπίεση (P Loubeyre et al 2002 Nature 416 613).

Και η δομή και η ηλεκτρική αγωγιμότητα του στερεού υδρογόνου έχουν μελετηθεί εντατικά από τη δεκαετία του '30, όταν προτάθηκε αρχικά η ύπαρξη της μεταλλικής κατάστασης του, από τον Eugene Wigner και τον Hillard Huntington που πρόβλεψαν ότι το υδρογόνο θα μπορούσε, κάτω από πολύ μεγάλη πίεση, να γίνει ένας μεταλλικός αγωγός. Τα πειράματα που πραγματοποιήθηκαν στις αρχές της δεκαετίας του '90 συμπίεσαν το στοιχείο σε πιέσεις 250 GPa αλλά απέτυχαν να ανιχνεύσουν αυτή την κατάσταση. Οι πιό πρόσφατες έρευνες σε υψηλότερες πιέσεις είχαν αποδειχθεί αναποτελεσματικές, εν μέρει επειδή το κύτταρο πίεσης αρχίζει να παρεμποδίζει τις μετρήσεις.

Τώρα όμως η γαλλική ομάδα έχει πετύχει τη συμπίεση του υδρογόνου σε 320 GPa, σε μια θερμοκρασία 100 Kelvin. Γέμισαν ένα ειδικά σχεδιασμένο διαμαντένιο κύτταρο πίεσης με υδρογόνο, και μέτρησαν την απορρόφηση του φωτός του σε όλο το φάσμα καθώς αυτοί ανέβαζαν  την πίεση. Αυτή η τεχνική - βασισμένη στη φασματοσκοπία κατά Raman - παρήγαγε ένα πρότυπο απορρόφησης που αποκάλυψε τα επίπεδα παλμικής και περιστροφικής ενέργειας των μορίων του υδρογόνου, που παρέχουν τις πληροφορίες για τη δομή του στερεού στοιχείου.

Σε πίεση 290 GPa,  ο LeToullec και συνάδελφοι του ανακάλυψαν ότι το δείγμα υδρογόνου έγινε άσπρο, κατόπιν κίτρινο, πορτοκαλί και κόκκινο, πρίν γίνει αδιαφανές σε πίεση 320 GPa. Επίσης καθόρισαν ότι η δομή του παραμένει σταθερή επάνω από μια πίεση 160 GPa.

Επάνω από 300 GPa, βρήκαν αποδείξεις για μια ενέργεια ζώνης χάσματος (bandgap) - ένα γνωστό χαρακτηριστικό γνώρισμα των ημιαγωγών. Αυτό το εύρος του χάσματος στένεψε καθώς η πίεση ανήλθε σε 320 GPa, η υψηλότερη τιμή που επιτεύχθηκε στο πείραμα. Κάνοντας υπολογισμούς, η ομάδα υπολόγισε ότι η ζώνη χάσματος θα εξαφανιζόταν σε πίεση 450 GPa για να γίνει ένα ατομικό μέταλλο.

Η ομάδα θεωρεί ότι αυτή η εκτίμηση είναι πιό αξιόπιστη από τις προηγούμενες προβλέψεις για πίεση περίπου 620 GPa, η οποία βασίστηκε σε καλύτερους υπολογισμούς. Ο LeToullec και οι συνάδελφοι του, ελπίζουν τώρα ότι η τεχνική τους θα μπορούσε να επεκταθεί για να μελετήσει πιέσεις στη περιοχή 400 GPa, όπου μπόρεσε να ανιχνεύσει το στερεό μέταλλο υδρογόνου για πρώτη φορά.

Ενδιαφέρουσες ιστοσελίδες
CEA
Metallic liquid hydrogen
New metallic superconductor makes an immediate impact
Liquid hydrogen turns superfluid
Home