Водород и его соединения при экстремальных давлениях

За последние два-три года в исследовании водорода при сверхвысоких давлениях наблюдалось существенное продвижение. Произошёл прорыв и в изучении гидридов под давлением, в частности, была открыта высокотемпературная сверхпроводимость в сероводороде. И наконец, объявлено о достижении холодной металлизации водорода. В этой статье кратко рассматриваются эти достижения.

В 1935 году два американских физика Вигнер и Хантингтон выдвинули удивительную гипотезу. Если взять водород и хорошенько его сжать (до 250 000 атмосфер по их оценкам) и охладить, то он превратится в металл.

Несколько десятков лет эта гипотеза исследовалась исключительно теоретически. Большой вклад здесь был сделан, например, будущим нобелевским лауреатом Абрикосовым.

Теория предсказывала, что металлический водород должен обладать удивительными свойствами. В частности, он скорее всего должен быть сверхпроводником при температурах порядка 10 градусов выше абсолютного нуля, а может быть даже и при 100–200.

Помимо самого водорода вызывали интерес и его соединения — гидриды. Так, было предположение, что гидриды металлов IV группы должны становится металлами при значительно меньших давлениях, чем сам водород.

Однако экспериментальная проверка всех этих теорий стала возможной лишь недавно. Основной прорыв был совершён в 2014—2016 годах.

Есть два основных метода получения высокого давления. Первый — это сжатие в алмазных наковальнях. А второй — динамическое сжатие с помощью ударных волн, возбуждаемых мощным лазерным излучением.

Алмазные наковальни выглядят как-то так.

Метод алмазных наковален позволил получить металлический водород в 2017 года. Для этого учёные слегка его усовершенствовали. При повышении давления водород сначала перешёл из прозрачного состояния в чёрное, а затем приобретал металлический блеск. Это происходило где-то в районе 5 миллионов атмосфер при температурах от 5,5 до 83 градусов выше абсолютного нуля. Правда, не все учёные согласны с выводами экспериментаторов, и этот результат ещё должен быть подтверждён другими научными группами.

Для гидрида кремния SiH₄ (силана) было продемонстрировано что-то похожее на металлизацию при давлении около 500 000 атмосфер и температуре ниже 17 градусов выше абсолютного нуля. Однако в дальнейшем другая группа опровергла эти результаты и показала, что силан не превращается в металл даже при 1 600 000 атмосфер.

И наконец, ещё одно громкое исследование последних лет — обнаружение сверхпроводимости сероводорода H₂S при температуре –70°C.

В конце 1990-х годов удалось перевести сероводород в металлическое состояние при давлении около 900 000 атмосфер, а совсем недавно было предсказана возможность наблюдения в нём сверхпроводимости. В 2014–2015 годах эксперименты подтвердили эту гипотезу.

Подробнее про водород при высоких давлениях можно почитать в свежей статье в «Успехах физических наук».