Что касается экспериментов, то не далее как в 2008 году ученые из Германии, Канады и России обнаружили у силана, сжатого приблизительно до 100 ГПа, сверхпроводимость с Tc = 17 К. Конечно же, SiH4 оказался далеко не комнатным сверхпроводником, да и высокотемпературным его назвать сложно. Тем не менее данный эксперимент подтвердил гипотезу Ашкрофта о возможности изучения металлического водорода и его высокотемпературной сверхпроводимости с помощью веществ, обогащенных водородом.
Среди исследований подобного рода выделяется свежая теоретическая работа американо-российской команды ученых A little bit of lithium does a lot for hydrogen, опубликованная в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences. В числе авторов - всё тот же Нэйл Ашкрофт, а от России - Артём Оганов и Андрей Ляхов. Авторы статьи, используя компьютерное моделирование, показали, что гидриды лития могут помочь решить проблему "металлизации" водорода. Читателя может смутить множественное число в словосочетании "гидриды лития", так как известно, что литий и водород одновалентны, а значит, и гидрид лития может быть только один - LiH. На самом деле никаких противоречий нет. Численные расчеты, выполненные учеными, свидетельствуют о существовании еще семи гидридов лития с общей формулой LiHn (n = от 2 до 8) с металлическим характером их проводимости. В нормальных условиях эти соединения "жить" не могут, однако сверхсильное сжатие делает литиевые гидриды метастабильными, а некоторые из них - даже стабильными веществами. Как утверждают исследователи, чтобы гидриды лития стали устойчивыми или почти устойчивыми металлами, к ним нужно применить давление приблизительно 100 ГПа. Эта величина, во-первых, в 4 раза меньше, чем та, что требуется для чистого водорода, а во-вторых, что самое главное, находится в диапазоне давлений, спокойно получаемых статическим путем.
Особое внимание в статье авторы уделяют двум разновидностям гидридов - LiH2 и LiH6. Область их стабильности начинается от 130 и от 140 ГПа соответственно. Кристаллические структуры гидридов лития, находящихся под давлением 150 ГПа,. В обеих решетках видны "одинокие" атомы (отмечены белым цветом), образующие молекулы водорода. Сжатие этих "одиноких" атомов и порождает металлический водород. Грубо говоря, LiH2 и LiH6 представляют собой как бы сплав двух металлов. Первый металл состоит из нераздельно связанных между собой атомов лития и водорода, а второй - из молекул H2.
Мы уже неоднократно упоминали о металлическом водороде в контексте высокотемпературной сверхпроводимости. Возникает вопрос: будет ли сверхпроводящим семейство литиевых гидридов и если да, то какова критическая температура? Авторы статьи сосредоточили свое внимание на LiH6, поскольку это наиболее перспективный высокотемпературный сверхпроводник. Они вычислили, что температура Дебая этого члена семейства при давлении 100 и 300 ГПа чрезвычайно велика - 4200 и 5165 К соответственно.
Каково значение температуры Дебая для сверхпроводимости? Чтобы это понять, совершим небольшой экскурс в теорию этого явления. На микроскопическом уровне причина сверхпроводимости - объединение всех электронов проводимости вещества в куперовские пары.
Притяжение между электронами возникает за счет взаимодействия между ними и кристаллической решеткой фононов (безмассовых частиц - квантов колебательного движения атомов кристаллической решетки) и носит название электрон-фононного. "Силу" электрон-фононного притяжения определяют безразмерной величиной - константой электрон-фононного взаимодействия.
Обычное кулоновское отталкивание между электронами никуда не делось - просто в сверхпроводнике оно слабее, чем электрон-фононное взаимодействие. В теории сверхпроводимости кулоновское взаимодействие характеризуется специальной безразмерной константой, именуемой псевдопотенциал Мореля-Андерсона, или кулоновский потенциал. Именно через псевдопотенциал Мореля-Андерсона - вместе с константой электрон-фононного взаимодействия и температурой Дебая - выражается формула Макмиллана для Tc сверхпроводника, у которого куперовские пары образуются за счет фононов.
Чем выше температура Дебая, чем больше константа электрон-фононного взаимодействия и чем меньше потенциал кулоновского отталкивания, тем выше критическая температура вещества
Ученые в обсуждаемой работе говорят об очень сильном электрон-фононном взаимодействии. Наряду с очень высокой дебаевской температурой логично ожидать и высокую Tc. И хотя авторы статьи не приводят значение критической температуры, благодаря формуле Макмиллана можно эту температуру оценить.
Пусть константа электрон-фононного взаимодействия равна 2 (это действительно очень сильное притяжение), а псевдопотенциал Мореля-Андерсона равен типичному значению для металлов, то есть 0,13. Для LiH6, сжатого до 100 и 300 ГПа, получим Tc = 426 и 524 К. Это более чем на 100 и 200 К выше, чем комнатная температура!
Конечно же, приведенные числа выглядят немного спекулятивно, так как, например, константа электрон-фононного взаимодействия и величина кулоновского потенциала взяты лишь приблизительно. Однако впервые речь идет о веществах, содержащих водород, как о действительно высокотемпературных сверхпроводниках, чья критическая температура не уступает Tc чистого водорода.
К тому же данная статья также впервые предсказывает
"металлизацию" соединений, сильно обогащенных водородом по сравнению
с гидридами элементов из 4 группы периодической системы. И, что тоже
немаловажно, давления, необходимые для этого, находятся в технологически
достижимых пределах.
. Слой металлического водорода у Юпитера
Металлический водород возникает при больших давлениях (около миллиона атмосфер) и высоких температурах, когда кинетическая энергия электронов превышает потенциал ионизации водорода.
В итоге протоны и электроны в нём существуют раздельно, поэтому металлический водород является хорошим проводником электричества. Предполагаемая толщина слоя металлического водорода - 42-46 тыс. км.
Мощные электротоки, возникающие в этом слое, порождают гигантское магнитное поле Юпитера.
В 2008 году Реймондом Джинлозом из Калифорнийского университета в Беркли
и Ларсом Стиксрудом из Лондонского университетского колледжа была создана
модель строения Юпитера и Сатурна, согласно которой в их недрах находится также
металлический гелий, образующий своеобразный сплав с металлическим водородом.
. Внутреннее строение Юпитера
Существуют несколько моделей строения Юпитера при разных предположениях о его химическом составе. Вследствие большой силы тяжести на Юпитере давление газов возрастает с глубиной очень быстро и уже на расстоянии 10 тыс. км от поверхности становится настолько большим, что преобладающий газ (водород) изменяет своё состояние и переходит из нормальной молекулярной фазы в металлическую. Слой жидкого металлического водорода имеет толщину около 42000 км. С ростом температуры по мере приближения к центру планеты металлический водород расплавляется (температура вблизи центра Юпитера приближается к 20000 К при давлении порядка 100 млн. агпм и плотности 20-30 г/см3). В некоторых моделях Юпитера предполагается существование слоя льда (Н2О) значительной толщины, но лишь вблизи поверхности, где температура невысока.
С водородом, как мы знаем, сегодня связаны, по меньшей мере, три надежды: на термоядерную энергию, на передачу энергии почти без потерь (в сверхпроводящих устройствах при температуре жидкого водорода, а не жидкого гелия) и - как на горючее, безвредное для окружающей среды.
И все эти надежды связывают, прежде всего с металлическим водородом, т.е. таким водородом, который представляет собой твердое тело, обладающее высокой электропроводностью и другими свойствами металла. Компактный металлический водород должен быть наиболее удобным водородом-топливом.
Кроме того, есть теоретические предпосылки, согласно которым
металлический водород может существовать и при обычной температуре, оставаясь
при этом сверхпроводником.
Литература
1. P. Cudazzo, G. Profeta, A. Sanna, A. Floris, A. Continenza, S. Massidda, E.K. U. Gross. Ab Initio Description of High-Temperature Superconductivity in Dense Molecular Hydrogen // Physical Review Letters, 100, 257001 (2008).
. Eva Zurek, Roald Hoffmann, N.W. Ashcroft, Artem R. Oganov, Andriy O. Lyakhov. A little bit of lithium does a lot for hydrogen // PNAS. October 20, 2009. V. 106. P. 17640-17643.
. Wignе E., Hиntingtоn H.В., On the possibility of a metallic modification of hydrogen, "J. Chem. Phys.", 1935, v. 3, p. 746;
. Stevensоn D.J., Interiors of giant planets, "Ann. Rev. Earth Planet. Sci.", 1982, v. 10, p. 257;
5. Каган Ю.,Пушкарев В., Xолас А., Уравнение состояния металлической фазы водорода, "ШЭТФ", 1977, т. 73, с. 967;
. Жарков В.H., Внутреннее строение Земли и планет, 2 изд., M., 1983, гл. 10;
. Григорьев Ф.В. и др., Экспериментальное определение сжимаемости водорода при плотностях 0,5+ 2 г/см3, "Письма в ЖЭТФ", 1972, т. 16, с. 286; 6) Ross M., Matter under extreme conditions of temperature and pressure, "Repts Progr. Phys.", 1985, v. 48, p. 1;
. Min B.I., Jansen H.J.F., Freeman A., Structural properties superconductivity and magnetism of metallic hydrogen, "Phys. Rev. B", 1984, V. 30, №9, p. 5076. В.В. Авилов
. О физике и
астрофизике. Гинсбург В.Л. - М.: Наука, 1980. с. 29.