A lítium-hidridek segítenek a fémes hidrogén tulajdonságainak tanulmányozásában • Yuri Yerin • Tudományos hírek

Ábra. 1. Metál LiH2 és LiH6 kristályos rács 150 GPa nyomáson. A lítium atomok zölden jelennek meg. Lila - hidrogénatomok lítiummal. A fehér szín a H2 hidrogénmolekulához "tartozó" hidrogénatomokat mutatja. Elmondható, hogy mind a lítium-hidridek, mind a két fém ötvözete: az első fém a lítium és a hidrogén kémiailag kötött atomjai, a második pedig az atomok a H2 molekulához kapcsolódnak. A jobb oldali piros szín a H2 molekuláris egyesületeinek egyikébe kerül. A LiH2 és a LiH6 szerkezeti paramétereit további anyagokban adják meg a PNAS-ban tárgyalt cikknek

Normál körülmények között a hidrogén egy gáznemű dielektrikum. Az elméleti előrejelzések szerint a 4 millió atmoszférájú nyomás alatt álló hidrogénnek fémes állapotba kell kerülnie. Nagy érdeklődés a fémes hidrogén problémájához, elsősorban a helyiséghőmérsékletű szupravezetés valószínû létezésében. Ráadásul egyes tudósok azt sugallják, hogy a külső mágneses tér bizonyos hőmérsékleti és erősségi tartományában a hidrogén-fém egy szuperfluid szupravezető - egy olyan folyadék, amelynek nulla viszkozitása és nulla ellenállása van. Mindazonáltal eddig egy ilyen hidrogén-izolátor-fém átmenetet nem figyeltek meg, mivel az ilyen transzformációhoz szükséges nyomás a kísérleti lehetőségek határain belül van. Az amerikai-orosz csoport tudósok hidrogénnel dúsított lítium-hidrideket (LiHn) használnak (n = 2-8) a fémes hidrogén egzotikus tulajdonságainak tanulmányozására. A kutatók által elvégzett számítógépes szimuláció azt mutatta, hogy a fémes fázis a LiHn-ben a hidrogénhez szükséges 4-szer alacsonyabb nyomáson, vagyis már technikailag megvalósítható körülmények között történt.

Összehasonlító táblázat a nyomásértékekről

Nyomás (atmoszférában)

A fémes hidrogén megszerzésének érdekét a hetvenes évek elején megjelent Jurij Kogan által vezetett szovjet fizikusok elméleti munkája felmelegítette. Bizonyította, hogy a hidrogén-fém metastabil anyag: ha nagynyomású anyagot kaptunk, akkor a nyomáscsökkenés után nem válik dielektrikumgá, hanem fém marad. Igaz, Jurij Kogan és munkatársai cikkéből nem volt világos, mennyi ideig létezik a fémes hidrogén létezése.

További elméleti és kísérleti tanulmányok kimutatták, hogy Wigner és Huntington értékelését nagymértékben alábecsülték. A modern ötletek szerint a hidrogént 400 GPa (4 millió atmoszféra) nyomásra kell "fémezni". Lehetővé válnak-e ilyen nyomások? Kétféle módon megszerezni - statikus tömörítés gyémánt üllő (a részleteket lásd a felülvizsgálat: .. S. Block, G. Piermarini gyémánt üllő, új lehetőségeket nyit a nagynyomású fizika PDF, 2,81 MB // UFN, 1979, Vol. 127, 4. kiadás, 705) és impulzusos, rövid ideig robbanásveszélyes hullámhosszon realizálódott. Az első esetben a tudósok képesek "maximalizálni" a maximum 300 GPa-t, ami nem ér el elméleti becsléseket a hidrogén "metallizálására". Az impulzusos tömörítés sokkal nagyobb nyomást eredményez 1500 GPa eléréséig, de jelentős hátrányokkal rendelkezik. Ebben a folyamatban az összenyomható anyag erős felmelegedése zajlik le, ami lehetővé teszi az objektum tanulmányozását csak folyékony állapotában. Ezen túlmenően, az ilyen ultranagy nyomás termelt csak nagyon korlátozott ideig (nagyságrendileg mikroszekundum kevesebb), de kísérletező fizika nem mindig sikerül kijavítani teljesen szükségesek ahhoz, hogy az anyag tulajdonságaival is vizsgálták. Természetesen a tudósok minden lehetséges módon megpróbálják csökkenteni a parazita fűtést az impulzus-összenyomás folyamatában, és elkerülni az anyagnak a folyadékba való átterelését.

Kísérletek a hidrogén "metallizálására"

1969-ben megjelentek a hidraulikus szigetelő-fémes átmenettel kapcsolatos első utalások. Egy csoport a szovjet kísérleti fizikusok által vezetett Leonid Vereshchagin a Institute of High Pressure Physics. 4.2 K hőmérsékleten és körülbelül 100 GPa nyomáson (statikus módszer) hat nagyságrenddel (milliószor) hirtelen csökkent a hidrogén villamos ellenállása. Igaz, hogy ezekből az adatokból kiindulva a tudósok nem mernék felismerni a hidrogént fémként, mivel megnevezték a cikket. A hidrogén hidrogén átmenetének lehetősége (PDF, 103 Kb).

A korunkhoz közel álló alkotások közül érdemes megemlíteni a Livermore National Laboratory amerikai tudósainak kutatását a kilencvenes évek közepén. Impulzus kompresszióval (a hőmérséklet körülbelül 3000 K) volt, a folyékony hidrogén ellenállásának 10 000-szeres csökkenésével, 93 és 140 GPa közötti nyomásnövekedéssel. Igaz, hogy ebben a kísérletben megfigyelték a hidrogén átmenetet a dielektromos állapotból a fémes állapotba, még mindig lehetetlen: egy további vizsgálat a belső szerkezetről azt mutatta, hogy nem lett fém. Valójában csak egy olyan folyadék volt, amelynek vezetőképességi típusa fémes volt.

Szóval összefoglaljuk a részösszeget. A helyi eredmények ellenére jelenleg nincs közvetlen bizonyíték a hidrogén "fémezésére".

Mi érdekes a fémes hidrogénről?

Általában az anyag kicsi maradt - a hidrogén "fémesítése" elérése érdekében.

Az anyagok hidrogénnel való dúsítása - a "fémezés"

És itt a tudósok feltalálták a megoldást - a "fémezés" problémájának megoldására nagy mennyiségű hidrogént tartalmazó vegyületeket alkalmaztak. Az első, aki ilyen alternatív megközelítést találtak, ismét Neil Ashcroft volt. Javasolta a Mendeleyev - szilikon, ón, germánium periodikus rendszer negyedik csoportjából származó elemek hidridjeinek használatát. Szerint Ashcroft, szilán (SiH4), illenek (GeH4) és ón-hidridet (SnH4) váltak rezisztenssé fémek stabil nyomáson többször kisebb, mint 400 GPa megszerzéséhez szükséges fémes hidrogénatom. Ezenkívül a fent említett vegyületeknek egyes számítások szerint magas hőmérsékletű szupravezetőknek is kell lenniük. Például az ón-hidrid, amint ezt a papírból következik, egy stabil fém a 70-160 GPa nyomás tartományban, amelynek kritikus átmeneti hőmérséklete 80 K 120 GPa-nál.

Mi a Debye hőmérséklete a szupravezetésre? Ennek megértése érdekében röviden kitérünk a jelenség elméletére. Mikroszkópikus szinten a szupravezetés oka az anyag összes vezető elektronjainak Cooper párokba történő egyesítése. A vonzás között elektronok miatt előfordul, hogy a kölcsönhatás közöttük és a kristályrács fonon (tömegtelen részecskék - kvantumait rezgőmozgás a kristályrács atomok) és az úgynevezett elektron-fonon. Az elektron-phonon vonzás "erősségét" a dimenzió nélküli mennyiség határozza meg - az elektron-fonon kölcsönhatási állandó. Az elektronok között a szokásos Coulomb-repulzió nem ment el senki - egyszerűen szupravezetőnél gyengébb, mint egy elektron-hangszer kölcsönhatás. A szupravezetés elméletében a Coulomb-interakciót egy speciális dimenzió nélküli konstans jellemzi, Morel-Anderson pszeudopotenciálisnak vagy Coulomb potenciálnak. Éppen a pszeudo-Morel Anderson - együtt állandó az elektron-fonon kölcsönhatás, és a Debye-hőmérséklet - kifejezett McMillan képlete Tc szupravezető Cooper-párok vannak kiképezve fonon. Minél magasabb a Debye hőmérséklete, annál nagyobb az elektron-fonon kölcsönhatás állandója és annál alacsonyabb a Coulomb repulziós potenciál, annál nagyobb az anyag kritikus hőmérséklete