Сотрудники Института химии им. Макса Планка получили металлический водород при комнатной температуре.

Предположение о том, что молекулярный водород в условиях высокого давления (~25 ГПа, или ~250 000 атмосфер) должен приобретать металлические свойства, было высказано в 1935 году американцами Юджином Вигнером и Хиллардом Хантингтоном. Согласно расчётам, этот необычный металл может переходить в сверхпроводящее состояние при температуре в 200–400 К. Физики также выяснили, что металлический водород может оказаться метастабильным, то есть после снятия давления не будет сразу возвращаться в привычное состояние газа с диэлектрическими свойствами. 

Проверить эти гипотезы на практике долгое время не удавалось, и даже сейчас вопрос о том, наблюдалась ли искомая «металлизация» хотя бы в одном эксперименте, остаётся спорным. Недавние опыты, проведённые при температуре ниже 100 К, показали, к примеру, что водород сохраняет молекулярное диэлектрическое состояние даже под давлением в 300 ГПа.

Изменения внешнего вида образца дейтерия. Давление проставлено в гигапаскалях, размеры — в микрометрах. (Иллюстрация авторов работы.)

Авторы новой работы реализовали вполне стандартную экспериментальную схему, в которой для создания давления используется алмазная наковальня. Между алмазами была зажата изолирующая прокладка, в отверстии которой расположился образец диаметром в ~10 и толщиной в ~2 мкм. Чтобы регистрировать сопротивление, к образцу подвели тонкие (50 нм) электроды.

Поддерживая комнатную температуру (295 К), учёные постепенно увеличивали давление и отслеживали изменения свойств водорода. Как сообщается, при 178 ГПа водород и изолирующая прокладка оставались прозрачными, но на отметке в 200 ГПа образец начал темнеть, а с повышением давления до 234 ГПа — стал непрозрачным. Когда давление дошло до 250 ГПа, непрозрачный водород уже отражал свет; примерно так же вёл себя и дейтерий — стабильный тяжёлый изотоп водорода.

Кроме того, при 220 ГПа водород стал электропроводящим, а создание давления в 260–270 ГПа вызвало резкий рост проводимости, которая стабилизировалась на новом уровне и практически не менялась, если давление поднимали до 300 ГПа. Это явное изменение характеристик физики и считают признаком перехода в металлическое состояние, что подтверждается результатами лазерного облучения: до 260 ГПа воздействие гелий-неонового лазера на образец приводило к снижению сопротивления, а после — давало противоположный эффект. Обратное превращение металлической фазы в молекулярный водород наблюдалось лишь тогда, когда давление снижали до 200 ГПа.

Как и следовало ожидать, эти данные признают надёжными далеко не все. Некоторые результаты эксперимента — скажем, то, что сопротивление металлического образца при охлаждении до 30 К увеличилось на 20 процентов, — действительно кажутся нелогичными: у «обычного» металла, как замечает материаловед Артур Руофф (Arthur Ruoff) из Корнеллского университета, сопротивление должно было либо снизиться, либо показать гораздо более существенный рост. По мнению г-на Руоффа, на измерения могло повлиять взаимодействие водорода с материалами электродов или прокладки.

Сопротивление водородного образца, как показывает график, резко падало при давлении в 260 ГПа. Изменялась и реакция на лазерное облучение: до 260 ГПа оно вызывало уменьшение сопротивления, а после — повышение. (Иллюстрация авторов работы.)