Металлический водород, который находится под давлением порядка четырех с половиной миллионов атмосфер, может иметь наибольшую критическую температуру перехода в ряду высокотемпературных проводников. Согласно предварительным расчетам итало-германской группы ученых физиков-теоретиков, элемента равна 242 К (минус тридцать один градус Цельсия).
Газообразный водород превращается в жидкость при температуре 20 К. Если снизить температуру ещё на 6 К, то можно перевести элемент в твердое состояние. Ханингтон и Вигнер в 1935-м году предположили в лаборатории. По их мнению, необходимо было использовать высокое давление - около 25 Гпа (один Гпа примерно равен десяти тысячам атмосфер). Так, под воздействием высокого давления элемент превратится в изотоп водорода - из диэлектрического элемента в проводящий. Следует отметить, что газ в исходном состоянии обладает проводящими свойствами. Так же, как и металлы, элемент проводит электричество, при этом он может и не находиться в твердом состоянии. Другими словами, водород может представлять собой и жидкость, обладающую
В 1971-м году в свет вышла работа советских ученых-теоретиков во главе с Каганом. Группа физиков доказывала, что металлический водород может являться метастабильным. Это означает, что после прекращения воздействия элемент не перейдет в свое первоначальное состояние - газ, обладающий диэлектрическими свойствами. Вместе с этим до сих пор неясно, будет ли эта стадия достаточно продолжительной для того, чтобы успеть использовать металлический водород.
Первый успех в опытном плане был получен в 1975-м году, в феврале. Группа ученых во главе с Верещагиным создала металлический водород. Под воздействием температуры в 4,2 К в тонком слое элемента при помощи алмазных наковален подвергнутом также воздействию давления порядка 300 Гпа наблюдалось снижение электрического сопротивления газа в миллионы раз. Это свидетельствовало о переходе водорода в металлическое состояние.
Для получения высокого давления применяется алмазная наковальня. Она представлена в виде двух остриями прижимающихся друг к другу при помощи пресса. В итоге на срезе, диаметр которого - порядка нескольких десятых долей миллиметра, образуется необходимое давление. На этом участке в ячейке располагается охлажденный образец. К образцу в этом же месте подводится оборудование: миниатюрные термопары, электроды и прочие измерительные приборы.
Следующим этапом в работе ученых стало выяснение возможности последующего перехода металлического состояния в сверхпроводящее. Первым задался этой проблемой Нейл Эшкрофт. Теоретик предсказал, что у металлического водорода появятся «экзотические» свойства под воздействием высоких температур, превышающих 200 К.
Сравнительно недавно вышла работа немецких и итальянских физиков. Авторы утверждают, что за счет электрон-фононного механизма формирования куперовских пар достигается рекордный показатель критической температуры - 242 К. Вместе с этим, однако, необходимо и воздействие высокого давления - порядка 450 Гпа, а это, в свою очередь, в четыре с половиной миллиона раз превышает атмосферное давление.
При электрон-фононном формировании куперовских пар при движении в периодической решетке в кристалле электрон притягивает ближайшие ионы, заряженные положительно. При этом происходит незначительная деформация решетки, и на короткое время увеличивается концентрация положительного заряда. За счет увеличенной концентрации притягивается другой электрон. Так, притягиваются оба электрона. При ненулевой температуре происходит колебание ионов около своих состояний равновесия. Фононы - это кванты данных колебаний.
Правообладатель иллюстрации Harvard University Image caption Ранга Диас перед установкой алмазного пресса сверхвысокого давления
Ученые из Гарвардского университета сообщили, что им впервые удалось трансформировать водород в металлообразное состояние.
Если это правда - а на этот счет есть сомнения - такое достижение станет венцом продолжавшихся более 80 лет попыток создать самый экзотический материал в природе.
В теории металлический водород может быть использован для создания проводов с нулевым сопротивлением и новых видов ракетного топлива.
Ученые из Гарвардского университета Ранга Диас и Айзек Силвера опубликовали результаты своих экспериментов в журнале Science.
"Впервые в истории планеты Земля создан твердый металлический водород", - сообщил профессор Силвера корреспонденту Би-би-си.
По словам ученых, им пока удалось получить небольшое количество металлического водорода, но со временем, считают они, могут быть найдены способы увеличения производства этого материала.
Метод заключался в сжатии емкости, содержащей небольшое количество молекулярного водорода, между двумя искусственными алмазами, в условиях экстремально высокого давления и сверхнизкой температуры
Под алмазным прессом им удалось достичь давления в 495 гигапаскалей. Это эквивалентно примерно 5 миллионам атмосфер. Алмазные тиски также охлаждались до температуры минус 270 градусов по Цельсию.
Целью эксперимента было добиться настолько тесного сближения атомов водорода, чтобы они образовали кристаллическую решетку и стали обмениваться электронами, что свойственно металлам.
Авторы статьи пишут, что материал в тисках приобрел блестящую поверхность, что свидетельствовало об изменении его атомной структуры. "Далее с ростом давления материал стал черным, и мы полагаем, что это произошло потому, что он стал полупроводником, способным поглощать свет", - говорит профессор Силвера.
"Затем мы еще более увеличили давление, и материал стал блестящим. Это было очень захватывающее зрелище. Отражательная способность его была чрезвычайно высокой, около 90%. Это примерно равно отражающей способности полированного алюминия", - сказал ученый.
Правообладатель иллюстрации SCIENCE PHOTO LIBRARY Image caption У металлов атомы упакованы очень плотно и обмениваются электронамиОднако следует отметить, что известие из Гарварда вызвало немало скептических отзывов среди ученых. Среди них есть специалисты, работающие в той же или схожих областях. Они заявляют, что в опубликованной статье содержится слишком мало данных, которые могли бы подтвердить реальность этого достижения.
"Полная ерунда, - заявил Юджин Грегорьянц из Эдинбургского университета. - Как и все, кто работает с водородом под высоким давлением, я поражен тем, что публикуется в журнале Science".
Впрочем, такое сопротивление является естественным. Если открытие подтвердится, оно станет одним из самых выдающихся достижений прикладной физики за последние десятилетия.
Металлическое состояние водорода было предсказано более 80 лет назад, и с тех пор ученые пытаются получить его на практике. Ценность этого материала связана с его поразительными свойствами.
Например, высказываются предположения о метастабильности металлического водорода. Это означает, что даже при возвращении его в условия нормальной температуры и давления он будет сохранять свои свойства.
Некоторые ученые считают также, что он будет сверхпроводящим металлом даже при комнатной температуре, что приведет к революции в области передачи и хранения электроэнергии.
Правообладатель иллюстрации NASA Image caption Металлический водород мог бы стать уникальным ракетным топливомАмериканское аэрокосмическое агентство НАСА также проявляет интерес к материалу. Уже сейчас жидкий водород используется в качестве весьма энергоемкого ракетного топлива, однако его металлическая форма может стать новым видом топлива, способным создавать гигантскую тягу и выводить на орбиту более массимные грузы.
"Я знаю, что многие специалисты в области высоких давлений высказывают свои сомнения, указывая, что высокая отражательная способность может объясняться присутствием загрязнений в составе алмазов, например, окиси алюминия. Однако если им действительно удалось достичь давления почти в 500 гигапаскалей в алмазном прессе, можно ожидать перехода в металлическое состояние водорода", - заявил исследователь Маркус Кнудсон из Национальных лабораторий Сандии.
С ним в целом согласен Джеффри Макмахон из университета штата Вашингтон.
"Что касается микроскопического количества полученного материала - такого рода эксперименты всегда проводятся в небольших алмазных прессах. Тут предстоит решать две проблемы. Во-первых, попытаться получить одновременно большее количество материала; во-вторых, что будет намного сложнее, убедиться, что материал сохраняет свои свойства после снятия давления", - говорит американский ученый.
"Ответ на второй вопрос остается открытым", - считает он.
Фотографии твердого водорода при давлении 2,05 миллиона атмосфер (a, образец прозрачный и свет проходит сквозь него), 4,15 миллиона атмосфер (b, образец непрозрачный, не отражает свет), 4,95 миллиона атмосфер (с, образец непрозрачный, отражает свет).
Физики из Гарвардского университета впервые синтезировали металлический водород. Чтобы добиться этого, ученые сжали водород в алмазной наковальне под давлением почти в 5 миллионов атмосфер и охладили до 5,5 кельвина. Теоретики предсказывают , что материал может оказаться комнатнотемпературным сверхпроводником, а также обладать рядом других необычных свойств. Независимые эксперты подвергают открытие сомнению. Исследование опубликовано в журнале Science (препринт работы), его обзор приводит журнал Nature .
Водород - самый распространенный элемент во Вселенной. В обычных условиях он существует в виде бесцветного газа, каждая частица которого состоит из двух атомов водорода. Если сжать обычный водород давлениями в тысячи атмосфер, то можно получить его сначала в жидком, а потом и в твердом виде - прозрачного, не проводящего электричество материала. В 1935 году физики Вигнер и Хантингтон теоретически предсказали , что дополнительно увеличив давление можно заставить водород перейти в металлическое состояние.
Этот материал привлек к себе внимание экспериментаторов благодаря своим необычным свойствам - с одной стороны, теоретики предсказывают ему сверхпроводимость при температурах близких к комнатной. С другой стороны, в виде металлической фазы водород запасает огромную энергию и его удобно хранить - это свойство важно для ракетостроения. Попытки синтеза материала начались во второй половине XX века, но до сих пор нельзя с уверенностью сказать, что он был получен.
Фазовая диаграмма водорода. Твердый металлический водород внизу справа.
Ranga P. Dias, Isaac F. Silvera / Science, 2017
Одна из важных проблем синтеза металлического водорода - высокие давления, необходимые для фазового перехода. Вигнер и Хантингтон предсказали, что молекулярный двухатомный водород должен превращаться в металлический одноатомный водород при давлениях около 250 тысяч атмосфер и низких температурах. Это примерно в 250 раз больше, чем давление на дне Марианской впадины. Однако эксперименты показали, что эта оценка не соответствует действительности. Современные исследования предсказывают величину давления фазового перехода в 4-5 миллионов атмосфер - это эквивалентно давлению, которое оказывает объект с массой слона, стоящий на игле с площадью поверхности острия меньше квадратного миллиметра.
Авторы новой работы утверждают, что смогли синтезировать твердый металлический водород с помощью алмазной наковальни, создававшей давление в 4,95 миллиона атмосфер в охлаждаемой жидким гелием ячейке. Этот прибор представляет собой пару высококачественных алмазов, с плоскими отшлифованными гранями наковальни. Их сжимают, вкручивая длинные стальные винты.
Схема эксперимента
R. Dias and I.F. Silvera
Ранее гарвардский коллектив ученых уже предпринимал попытки синтеза металлического водорода - в ходе экспериментов физики выяснили несколько проблем, осложняющих достижение больших давлений. В первую очередь водород способен проникать в алмаз и делать его более хрупким. С ростом давлений это приводит к разрушению «наковальни». Во-вторых, лазерное излучение, используемое для мониторинга состояния ячейки, также может привести к разрушению алмаза (например, инфракрасное излучение способно превратить алмаз в графит). Чтобы избежать этих сложностей авторы модифицировали традиционный эксперимент.
Физики покрыли алмазные поверхности аморфным оксидом алюминия (толщиной 50 нанометров), для предотвращения диффузии водорода. Кроме того, использование лазерного излучения в эксперименте было минимизировано - оценка давлений делалась на основе количества оборотов винта.
Ученые следили за изменениями в образце с помощью микроскопа. При двух миллионах атмосфер водород был прозрачным твердым веществом. При 4,15 миллиона атмосфер образец потемнел и перестал пропускать свет. При давлении 4,95 миллиона атмосфер авторы обнаружили, что образец стал красноватым и начал хорошо отражать свет. Из спектральных данных физики определили, что в твердом водороде возникла большая концентрация свободных носителей заряда (7,7±1,1×10 23 частиц на кубический сантиметр) - в десятки раз больше чем у лития, натрия или калия (щелочных металлов). По словам ученых, это подтверждает металлическую природу материала.
Независимые эксперты, также участвующие в «гонке» синтеза металлического водорода, сомневаются в надежности работы. Во-первых, эксперимент по синтезу металлического водорода был поставлен лишь один раз и не воспроизводился. Во-вторых, свою роль могло сыграть покрытие из оксида алюминия - нет уверенности, что материал не восстановился до металлического алюминия. Евгений Грегорянц, год назад фазу-предшественник металлического водорода, также отмечает, что детальные измерения состояния ячейки были сделаны лишь при пиковых значениях давлений. На их основании нельзя надежно судить о достигнутом давлении, как и на основе количества оборотов винта.
Убедить экспертов может повторение эксперимента и дополнительные тесты. По словам Айзека Сильвера, соавтора работы, решение опубликовать статью с ограниченным количеством подтверждающих тестов было связано с тем, что образец может разрушиться при дальнейшей работе с ним. Сейчас, когда исследование опубликовано, физики планируют провести анализ рамановского рассеяния на металлическом водороде и другие тесты.
Это не первое заявление ученых о синтезе металлического водорода. В июле 2016 года группа исследователей под руководством Айзека Сильвера о синтезе жидкого металлического водорода (и также подверглась критике). В 2011 году о синтезе материала заявляли Михаил Еремец и Иван Троян из Химического института общества Макса Планка, однако, по словам химиков, надежных подтверждений до сих пор получено не было. Считается, что встретить жидкий металлический водород можно, например, в недрах Юпитера.
Владимир Королёв
Материал из Википедии - свободной энциклопедии
Металли́ческий водоро́д - совокупность фазовых состояний водорода , находящегося при крайне высоком давлении и претерпевшего фазовый переход . Металлический водород представляет собой вырожденное состояние вещества и, по некоторым предположениям, может обладать некоторыми замечательными свойствами - высокотемпературной сверхпроводимостью и высокой удельной теплотой фазового перехода. Предсказан теоретически и впервые синтезирован в лабораторных условиях в 1996 году в Ливерморской национальной лаборатории. Время существования металлического водорода было очень недолгим – около одной микросекунды.
История исследований
В 1935 год Ю. Вигнер и X. Б. Хантингтон предсказали переход водорода в металлическое состояние под действием высокого давления (около 25 ГПа или 250 тысяч атмосфер) и потерю валентного электрона ядром . В дальнейшем оценка давления, требуемого для фазового перехода, была повышена, но условия перехода всё же считаются потенциально достижимыми. Предсказание свойств металлического водорода ведётся теоретически. Попытки получения, начатые в 1970-х годах, привели к возможным эпизодам водорода в 1996, 2008 и 2011 году, однако, имеются сомнения в достоверности получения металлического водорода.
Теоретические свойства
Переход в металлическую фазу
При увеличении внешнего давления до десятков ГПа коллектив атомов водорода начинает проявлять металлические свойства. Ядра водорода (протоны) сближаются друг к другу существенно ближе боровского радиуса , на расстояние, сравнимое с длиной волны де Бройля электронов. Таким образом, сила связи электрона с ядром становится нелокализованной, электроны слабо связываются с протонами и формируют свободный электронный газ так же, как в металлах.
Жидкий металлический водород
Жидкая фаза металлического водорода отличается от твердой фазы отсутствием дальнего порядка . Имеется дискуссия о допустимом диапазоне существования жидкого металлического водорода. В отличие от гелия-4 , жидкого при температуре ниже 2.17 и нормальном давлении благодаря нулевой энергии нулевых колебаний , массив плотно упакованных протонов обладает значительной энергией нулевых колебаний. Соответственно, переход от кристаллической фазы к неупорядоченной ожидается при еще более высоких давлениях. Исследование, проведенное Н. Ашкрофтом, допускает область жидкого металлического водорода при давлении около 400 ГПа и низких температурах . В других работах Е. Бабаев предполагает, что металлический водород может представлять собой металлическую сверхтекучую жидкость.
Сверхпроводимость
Экспериментальные попытки получения
Металлизация водорода ударным сжатием в 1996 году
Эксперименты 2011 года
В 2011 году было сообщено о наблюдении жидкой металлической фазы водорода и дейтерия при статическом давлении 260-300 ГПа. , что вновь вызвало вопросы в научном сообществе .
Эксперименты 2015 года
Эксперименты 2016 года
В июле 2016 физикам из Гарвардского университета удалось получить в лаборатории металлический водород. В своей лаборатории физики наблюдали, как происходит превращение водорода из жидкого диэлектрика в жидкий металл. Чтобы довести вещество до такого состояния, его зажали между двух кончиков алмаза, размер которых не превышал 100 микронов, и нагрели с помощью коротких вспышек лазера, интенсивность которых каждый раз возрастала. Исследователи довели водород до температуры около 1900 градусов Цельсия и подвергли его давлению в 1,1-1,7 мегабар.
В результате, ученым удалось зарегистрировать переход водорода в состояние жидкого металла. Это событие наблюдалось не напрямую, так как вещество переходит в другое состояние за доли секунды, а потом так же быстро разрушается. Вместо этого ученые наблюдали за изменением коэффициента пропускания и отражения.
- комментирует один из авторов работы.В некотором смысле водород резко перешел из прозрачного, как стекло, состояния в состояние блестящего металла, который, как и медь или золото, отражал свет
Эксперимент физиков помогает объяснить, какие процессы могут происходить в недрах газовых гигантов. Кроме того, ученые предполагают, что в будущем металлический водород сможет быть использован в качестве ракетного топлива или как сверхпроводник, способный существовать в комнатной температуре. nplus1.ru/news/2016/07/01/jupiter-part
Связь с другими областями физики
Астрофизика
Считается, что большие количества металлического водорода присутствуют в ядрах планет-гигантов - Юпитера, Сатурна и крупных внесолнечных планетах . Благодаря гравитационному сжатию под газовым слоем должно находиться ядро из металлического водорода.
Потенциальное применение
Топливные элементы
Метастабильные соединения металлического водорода перспективны как компактное, эффективное и чистое топливо. При переходе металлического водорода в обычную молекулярную фазу высвобождается до 20 крат энергии при сжигании этого количества водорода в кислороде .
- Металлический водород неоднократно упоминается в советском фильме «Расписание на послезавтра » (1978), действие которого происходит в физико-математической спецшколе.
Напишите отзыв о статье "Металлический водород"
Примечания
- Wigner, E.; Huntington, H.B. On the possibility of a metallic modification of hydrogen (англ.) // Journal of Chemical Physics. - 1935. - Vol. 3 , no. 12 . - P. 764 . - DOI :10.1063/1.1749590 .
- Ashcroft N. W. The hydrogen liquids (англ.) // Journal of Physics: Condensed Matter. - 2000. - Vol. 12 , no. 8A . - P. A129 . - DOI :10.1088/0953-8984/12/8A/314 .
- Bonev S.A., et al. A quantum fluid of metallic hydrogen suggested by first-principles calculations (англ.) // Nature. - 2004. - Vol. 431 , no. 7009 . - P. 669 . - DOI :10.1038/nature02968 . - arXiv :cond-mat/0410425 .
- Babaev E., Ashcroft N. W. Violation of the London law and Onsager–Feynman quantization in multicomponent superconductors (англ.) // Nature Physics . - 2007. - Vol. 3 , no. 8 . - P. 530 . - DOI :10.1038/nphys646 . - arXiv :0706.2411 .
- Babaev E., Sudbø A., Ashcroft N. W. A superconductor to superfluid phase transition in liquid metallic hydrogen (англ.) // Nature . - 2004. - Vol. 431 , no. 7009 . - P. 666 . - DOI :10.1038/nature02910 . - arXiv :cond-mat/0410408 .
- Ashcroft, N.W. Metallic Hydrogen: A High-Temperature Superconductor? (англ.) // Physical Review Letters. - 1968. - Vol. 21 , no. 26 . - P. 1748 . - DOI :10.1103/PhysRevLett.21.1748 .
- Weir S. T., Mitchell A. C., Nellis W. J. Metallization of fluid molecular hydrogen at 140 GPa (1.4 Mbar) (англ.) // Physical Review Letters. - 2004. - Vol. 76 , no. 11 . - P. 1860 . - DOI :10.1103/PhysRevLett.76.1860 .
- Nellis, W.J. . Lawrence Livermore Preprint UCRL-JC-142360 (2001). - «minimum electrical conductivity of a metal at 140 GPa, 0.6 g/cm3, and 3000 K»
- Ruoff A. L., et al. Solid hydrogen at 342 GPa: No evidence for an alkali metal (англ.) // Nature . - 1998. - Vol. 393 , no. 6680 . - P. 46 . - DOI :10.1038/29949 .
- Deemyad S., Silvera I. F. The melting line of hydrogen at high pressures (англ.) // Physical Review Letters. - 2008. - Vol. 100 , no. 15 . - DOI :10.1103/PhysRevLett.100.155701 . - arXiv :0803.2321 .
- Eremets M. I., et al. Superconductivity in hydrogen dominant materials: Silane (англ.) // Science . - 2008. - Vol. 319 , no. 5869 . - P. 1506–9 . - DOI :10.1126/science.1153282 .
- Degtyareva O. Formation of transition metal hydrides at high pressures (англ.) // Solid State Communications. - 2009. - Vol. 149 , no. 39-40 . - DOI :10.1016/j.ssc.2009.07.022 . - arXiv :0907.2128v1 .
- Hanfland M., Proctor J., Guillaume C. L., et al. High-Pressure Synthesis, Amorphization, and Decomposition of Silane (англ.) // Physical Review Letters. - 2011. - Vol. 106 , no. 9 . - DOI :10.1103/PhysRevLett.106.095503 .
- Eremets M. I., Troyan I. A. Conductive dense hydrogen (англ.) // Nature Materials . - 2011. - No. 10 . - P. 927–931 . - DOI :10.1038/nmat3175 .
- Nellis W. J., Ruoff A., Silvera I. F. Has Metallic Hydrogen Been Made in a Diamond Anvil Cell? (англ.) // arxiv.org. - 2012. - arXiv :arxiv.org/abs/1201.0407 .
- M. D. Knudson, M. P. Desjarlais, A. Becker, R. W. Lemke, K. R. Cochrane, M. E. Savage, D. E. Bliss, T. R. Mattsson, R. Redmer Direct observation of an abrupt insulator-to-metal transition in dense liquid deuterium (англ.) // Science . - 26 June 2015. - Vol. 348 , no. 6242 . - P. 1455-1460 . - DOI :10.1126/science.aaa7471 .
- Silvera, Isaac F. . NIAC SPRING SYMPOSIUM (27 марта 2012). - «Recombination of hydrogen atoms releases 216 MJ/kg Hydrogen/Oxygen combustion in the Shuttle releases 10 MJ/kg ... density about 12-13 fold» Проверено 13 мая 2012.
Отрывок, характеризующий Металлический водород
– А вы как думаете, Данило Терентьич, ведь это будто в Москве зарево? – сказал один из лакеев.Данило Терентьич ничего не отвечал, и долго опять все молчали. Зарево расходилось и колыхалось дальше и дальше.
– Помилуй бог!.. ветер да сушь… – опять сказал голос.
– Глянь ко, как пошло. О господи! аж галки видно. Господи, помилуй нас грешных!
– Потушат небось.
– Кому тушить то? – послышался голос Данилы Терентьича, молчавшего до сих пор. Голос его был спокоен и медлителен. – Москва и есть, братцы, – сказал он, – она матушка белока… – Голос его оборвался, и он вдруг старчески всхлипнул. И как будто только этого ждали все, чтобы понять то значение, которое имело для них это видневшееся зарево. Послышались вздохи, слова молитвы и всхлипывание старого графского камердинера.
Камердинер, вернувшись, доложил графу, что горит Москва. Граф надел халат и вышел посмотреть. С ним вместе вышла и не раздевавшаяся еще Соня, и madame Schoss. Наташа и графиня одни оставались в комнате. (Пети не было больше с семейством; он пошел вперед с своим полком, шедшим к Троице.)
Графиня заплакала, услыхавши весть о пожаре Москвы. Наташа, бледная, с остановившимися глазами, сидевшая под образами на лавке (на том самом месте, на которое она села приехавши), не обратила никакого внимания на слова отца. Она прислушивалась к неумолкаемому стону адъютанта, слышному через три дома.
– Ах, какой ужас! – сказала, со двора возвративись, иззябшая и испуганная Соня. – Я думаю, вся Москва сгорит, ужасное зарево! Наташа, посмотри теперь, отсюда из окошка видно, – сказала она сестре, видимо, желая чем нибудь развлечь ее. Но Наташа посмотрела на нее, как бы не понимая того, что у ней спрашивали, и опять уставилась глазами в угол печи. Наташа находилась в этом состоянии столбняка с нынешнего утра, с того самого времени, как Соня, к удивлению и досаде графини, непонятно для чего, нашла нужным объявить Наташе о ране князя Андрея и о его присутствии с ними в поезде. Графиня рассердилась на Соню, как она редко сердилась. Соня плакала и просила прощенья и теперь, как бы стараясь загладить свою вину, не переставая ухаживала за сестрой.
– Посмотри, Наташа, как ужасно горит, – сказала Соня.
– Что горит? – спросила Наташа. – Ах, да, Москва.
И как бы для того, чтобы не обидеть Сони отказом и отделаться от нее, она подвинула голову к окну, поглядела так, что, очевидно, не могла ничего видеть, и опять села в свое прежнее положение.
– Да ты не видела?
– Нет, право, я видела, – умоляющим о спокойствии голосом сказала она.
И графине и Соне понятно было, что Москва, пожар Москвы, что бы то ни было, конечно, не могло иметь значения для Наташи.
Граф опять пошел за перегородку и лег. Графиня подошла к Наташе, дотронулась перевернутой рукой до ее головы, как это она делала, когда дочь ее бывала больна, потом дотронулась до ее лба губами, как бы для того, чтобы узнать, есть ли жар, и поцеловала ее.
– Ты озябла. Ты вся дрожишь. Ты бы ложилась, – сказала она.
– Ложиться? Да, хорошо, я лягу. Я сейчас лягу, – сказала Наташа.
С тех пор как Наташе в нынешнее утро сказали о том, что князь Андрей тяжело ранен и едет с ними, она только в первую минуту много спрашивала о том, куда? как? опасно ли он ранен? и можно ли ей видеть его? Но после того как ей сказали, что видеть его ей нельзя, что он ранен тяжело, но что жизнь его не в опасности, она, очевидно, не поверив тому, что ей говорили, но убедившись, что сколько бы она ни говорила, ей будут отвечать одно и то же, перестала спрашивать и говорить. Всю дорогу с большими глазами, которые так знала и которых выражения так боялась графиня, Наташа сидела неподвижно в углу кареты и так же сидела теперь на лавке, на которую села. Что то она задумывала, что то она решала или уже решила в своем уме теперь, – это знала графиня, но что это такое было, она не знала, и это то страшило и мучило ее.
– Наташа, разденься, голубушка, ложись на мою постель. (Только графине одной была постелена постель на кровати; m me Schoss и обе барышни должны были спать на полу на сене.)
– Нет, мама, я лягу тут, на полу, – сердито сказала Наташа, подошла к окну и отворила его. Стон адъютанта из открытого окна послышался явственнее. Она высунула голову в сырой воздух ночи, и графиня видела, как тонкие плечи ее тряслись от рыданий и бились о раму. Наташа знала, что стонал не князь Андрей. Она знала, что князь Андрей лежал в той же связи, где они были, в другой избе через сени; но этот страшный неумолкавший стон заставил зарыдать ее. Графиня переглянулась с Соней.
– Ложись, голубушка, ложись, мой дружок, – сказала графиня, слегка дотрогиваясь рукой до плеча Наташи. – Ну, ложись же.
– Ах, да… Я сейчас, сейчас лягу, – сказала Наташа, поспешно раздеваясь и обрывая завязки юбок. Скинув платье и надев кофту, она, подвернув ноги, села на приготовленную на полу постель и, перекинув через плечо наперед свою недлинную тонкую косу, стала переплетать ее. Тонкие длинные привычные пальцы быстро, ловко разбирали, плели, завязывали косу. Голова Наташи привычным жестом поворачивалась то в одну, то в другую сторону, но глаза, лихорадочно открытые, неподвижно смотрели прямо. Когда ночной костюм был окончен, Наташа тихо опустилась на простыню, постланную на сено с края от двери.
– Наташа, ты в середину ляг, – сказала Соня.
– Нет, я тут, – проговорила Наташа. – Да ложитесь же, – прибавила она с досадой. И она зарылась лицом в подушку.
Графиня, m me Schoss и Соня поспешно разделись и легли. Одна лампадка осталась в комнате. Но на дворе светлело от пожара Малых Мытищ за две версты, и гудели пьяные крики народа в кабаке, который разбили мамоновские казаки, на перекоске, на улице, и все слышался неумолкаемый стон адъютанта.
Долго прислушивалась Наташа к внутренним и внешним звукам, доносившимся до нее, и не шевелилась. Она слышала сначала молитву и вздохи матери, трещание под ней ее кровати, знакомый с свистом храп m me Schoss, тихое дыханье Сони. Потом графиня окликнула Наташу. Наташа не отвечала ей.
– Кажется, спит, мама, – тихо отвечала Соня. Графиня, помолчав немного, окликнула еще раз, но уже никто ей не откликнулся.
Скоро после этого Наташа услышала ровное дыхание матери. Наташа не шевелилась, несмотря на то, что ее маленькая босая нога, выбившись из под одеяла, зябла на голом полу.
Как бы празднуя победу над всеми, в щели закричал сверчок. Пропел петух далеко, откликнулись близкие. В кабаке затихли крики, только слышался тот же стой адъютанта. Наташа приподнялась.
– Соня? ты спишь? Мама? – прошептала она. Никто не ответил. Наташа медленно и осторожно встала, перекрестилась и ступила осторожно узкой и гибкой босой ступней на грязный холодный пол. Скрипнула половица. Она, быстро перебирая ногами, пробежала, как котенок, несколько шагов и взялась за холодную скобку двери.
Ей казалось, что то тяжелое, равномерно ударяя, стучит во все стены избы: это билось ее замиравшее от страха, от ужаса и любви разрывающееся сердце.
Она отворила дверь, перешагнула порог и ступила на сырую, холодную землю сеней. Обхвативший холод освежил ее. Она ощупала босой ногой спящего человека, перешагнула через него и отворила дверь в избу, где лежал князь Андрей. В избе этой было темно. В заднем углу у кровати, на которой лежало что то, на лавке стояла нагоревшая большим грибом сальная свечка.
Наташа с утра еще, когда ей сказали про рану и присутствие князя Андрея, решила, что она должна видеть его. Она не знала, для чего это должно было, но она знала, что свидание будет мучительно, и тем более она была убеждена, что оно было необходимо.
Весь день она жила только надеждой того, что ночью она уввдит его. Но теперь, когда наступила эта минута, на нее нашел ужас того, что она увидит. Как он был изуродован? Что оставалось от него? Такой ли он был, какой был этот неумолкавший стон адъютанта? Да, он был такой. Он был в ее воображении олицетворение этого ужасного стона. Когда она увидала неясную массу в углу и приняла его поднятые под одеялом колени за его плечи, она представила себе какое то ужасное тело и в ужасе остановилась. Но непреодолимая сила влекла ее вперед. Она осторожно ступила один шаг, другой и очутилась на середине небольшой загроможденной избы. В избе под образами лежал на лавках другой человек (это был Тимохин), и на полу лежали еще два какие то человека (это были доктор и камердинер).
Камердинер приподнялся и прошептал что то. Тимохин, страдая от боли в раненой ноге, не спал и во все глаза смотрел на странное явление девушки в бедой рубашке, кофте и вечном чепчике. Сонные и испуганные слова камердинера; «Чего вам, зачем?» – только заставили скорее Наташу подойти и тому, что лежало в углу. Как ни страшно, ни непохоже на человеческое было это тело, она должна была его видеть. Она миновала камердинера: нагоревший гриб свечки свалился, и она ясно увидала лежащего с выпростанными руками на одеяле князя Андрея, такого, каким она его всегда видела.
Он был таков же, как всегда; но воспаленный цвет его лица, блестящие глаза, устремленные восторженно на нее, а в особенности нежная детская шея, выступавшая из отложенного воротника рубашки, давали ему особый, невинный, ребяческий вид, которого, однако, она никогда не видала в князе Андрее. Она подошла к нему и быстрым, гибким, молодым движением стала на колени.
Он улыбнулся и протянул ей руку.
Для князя Андрея прошло семь дней с того времени, как он очнулся на перевязочном пункте Бородинского поля. Все это время он находился почти в постояниом беспамятстве. Горячечное состояние и воспаление кишок, которые были повреждены, по мнению доктора, ехавшего с раненым, должны были унести его. Но на седьмой день он с удовольствием съел ломоть хлеба с чаем, и доктор заметил, что общий жар уменьшился. Князь Андрей поутру пришел в сознание. Первую ночь после выезда из Москвы было довольно тепло, и князь Андрей был оставлен для ночлега в коляске; но в Мытищах раненый сам потребовал, чтобы его вынесли и чтобы ему дали чаю. Боль, причиненная ему переноской в избу, заставила князя Андрея громко стонать и потерять опять сознание. Когда его уложили на походной кровати, он долго лежал с закрытыми глазами без движения. Потом он открыл их и тихо прошептал: «Что же чаю?» Памятливость эта к мелким подробностям жизни поразила доктора. Он пощупал пульс и, к удивлению и неудовольствию своему, заметил, что пульс был лучше. К неудовольствию своему это заметил доктор потому, что он по опыту своему был убежден, что жить князь Андрей не может и что ежели он не умрет теперь, то он только с большими страданиями умрет несколько времени после. С князем Андреем везли присоединившегося к ним в Москве майора его полка Тимохина с красным носиком, раненного в ногу в том же Бородинском сражении. При них ехал доктор, камердинер князя, его кучер и два денщика.
) В январе этого года в журнале Science была опубликована статья сотрудников Гарвардского университета Ранга Диаса (Ranga Dias) и Исаака Сильверы (Isaac Silvera), в которой сообщается о получении металлического водорода. Статья вызвала большой резонанс в средствах массовой информации, поскольку металлический водород был давней мечтой твердотельщиков. Во-первых, он очень интересен как фундаментальное физическое явление. Во-вторых, он должен образовываться в недрах планет-гигантов. В-третьих, он привлекает широкий общественный интерес благодаря предсказаниям о его возможной метастабильности и высокотемпературной сверхпроводимости. Чтобы разобраться в том, что реально произошло, мы обратились за комментариями к директору Института физики высоких давлений им. Л. Ф. Верещагина, академику РАН Вадиму Бражкину . Вопросы задавал Борис Штерн .
— Передо мной фазовая диаграмма водорода, сделанная годы назад. На ней уверенной рукой проведена условная граница между твердым молекулярным и металлическим атомарным водородом, где-то на двух мегабарах, выше при больших температурах — фаза жидкого металлического водорода. Значит ли это, что данная фазовая диаграмма хорошо считается и все фазы были известны давно?
— Нет, относительно хорошо просчитано до одного мегабара и намного выше десяти мегабар. А как раз в той области, где ожидается фазовый переход, при нескольких мегабарах, считается плохо. Предсказания много раз менялись. Совсем давно это было 200 килобар, потом предполагаемое давление металлизации выросло до мегабара, потом у кого-то получалось десять, у кого-то — три. В этой области действительно трудно считать — нет малого параметра. Проблема в том, что в данном случае размер иона практически нулевой, это протон, а плотность электронов сильно неоднородна. Это практически единственный такой дурацкий металл, который не считается. Ту т даже непонятно, будет ли вблизи перехода структура кристаллической, или это будет жидкость.
— Но сейчас на компьютерах перемалывают достаточно тяжелые задачи без всяких малых параметров. На каком уровне находятся численные модели для металлического водорода?
— Как раз они сейчас в основном и работают. Это первопринципный счет на суперкомпьютерах для нескольких сотен атомов. Сузить область предсказанной металлизации и возможного поведения кривой плавления водорода удалось, но значительный разброс предсказаний в данных различных групп тем не менее остался. Фазовая диаграмма водорода, соответствующая современным представлениям. По горизонтальной оси — давление в гигапаскалях (100 ГПа примерно равны одному мегабару). Красная линия отделяет твердый водород от жидкого. Изображение из статьи Dias R. P. et al., Science 10.1126/science.aal1579 (2017) — Да, на фазовой диаграмме, которая у меня перед глазами, выше по температуре — область жидкого металлического водорода. И она наступает даже при более низких давлениях, чем твердая металлическая фаза. Это соответствует современным представлениям?
— Да, конечно, корректно отличить диэлектрическую от металлической фазы можно только при низкой температуре, но были намеки на то, что при высокой температуре высокая проводимость наступает раньше по давлению. Это было подтверждено еще в середине 1990-х — сначала Биллом Неллисом (Bill Nellis), потом Владимиром Фортовым — в ударных волнах при давлении около полутора миллионов атмосфер водород начинает проводить примерно как металлический натрий. Правда, здесь могут быть возражения, что это происходит за счет ионизации, а не из-за перехода в металлическую фазу. Такой спор идет. Но, в принципе, в области высоких температур от 2 до 5 тыс. градусов во многих экспериментах в районе от 1 до 3 мегабар наблюдались признаки перехода в металлическую фазу — и в ударных волнах, и в статических экспериментах с лазерным нагревом. Это известный факт.
— Правильно ли я понимаю, что в ударных волнах сложно отличить металлическую проводимость от плазменной?
— Не то чтобы трудно отличить, это скорее одно и то же — при высокой температуре они перемешаны, так что тут больше вопрос терминологии. Если Неллису хотелось получить Нобелевскую премию, то он трактовал это как жидкий металлический водород. На самом деле с точки зрения планетологии важнее как раз жидкая фаза — именно она существует в недрах планет, где температура высока. Именно жидкий металлический водород в недрах Юпитера и Сатурна создает магнитное поле. Хотя с точки зрения классических твердотельщиков это какая-то скучная плазма, ионизация. С их точки зрения главное — найти переход вблизи нулевой температуры.
— Об истории. Когда появилась идея, что должен существовать металлический водород?
— Первая статья — 1935 год. Юджин Вигнер (Eugene Wigner) и Хиллард Белл Хантингтон (Hillard Bell Huntington).
— Когда была первая попытка получить металлический водород? Это не Леонид Верещагин в вашем институте?
— Это не первая попытка, а первое заявление об успешном эксперименте. Тут следующие проблемы. Водород сильно портит алмазные наковальни, проникая в них. Металл можно сжать до четырех мегабар, а водород — выше двух ни у кого не получалось. Исторически первое заявление об успехе было сделано, действительно, Верещагиным. Там была следующая схема: алмазная игла плюс алмазная плоскость, причем брались проводящие алмазы с металлом. Игла плохо контролировалась. Размер острия — порядка микрона. Если посмотреть в микроскоп, то острие — куча зубчиков. Наблюдалось сопротивление через пленку твердого водорода между иглой и плоскостью. Когда сжимали, сопротивление падало, когда отпускали — восстанавливалось. Но потом группа Сергея Стишова в Институте кристаллографии и американцы продемонстрировали, что такое же происходит, когда давят, например, иглой из твердого сплава через бумагу, что это связано не с металлизацией, а с эффектом прокола.
Потом все перешли на плоские алмазные наковальни, где можно смотреть оптику, куда можно пытаться заводить электроды. Проблема разрушения наковален выше двух мегабар осталась. Решили давить при низких температурах — гелиевой, азотной, тогда подавляется диффузия водорода. Так можно пройти до трех с половиной мегабар.
— Но вот я смотрю уже на современную фазовую диаграмму — там обозначен фазовый переход ниже трех мегабар.
— Эти фазы — I, II, III, не металлы. В процессе экспериментов люди обнаружили эту фазу III, которая оказалась черной — это полупроводник. А до металла никак не доходили. Теоретики загнали фазовый переход в интервал между 4,5 и 6 мегабарами. Наш Михаил Еремец решил идти выше по температуре на диаграмме — там, где фазы IV и V. Он покрыл алмазные наковальни тонкой пленкой металла, чтобы их защитить, и тогда можно давить до трех мегабар при комнатной температуре. У него получились скачки сопротивления — вроде как металлизация. Но величины сопротивления получились большими — килоомы, а не миллиомы, как должно быть. Сейчас сложился консенсус, что фаза IV или V — какая-то из них является узкощелевым полупроводником, но ещене металлом. Причем эта фаза частично атомарная, частично молекулярная. Потом все решили повторять Еремца, и сейчас группа Григорянца (они, пожалуй, стали лидерами в этой области при повышенных температурах) работает между тремя и четырьмя мегабарами, где красный пунктир на диаграмме. Проблема в том, что рентгеноструктурный анализ здесь не работает, дифракция нейтронов — тоже (слишком тонкий образец). Остается лишь рамановская спектроскопия. И у них появляется то один, то другой пичок — вот одна фаза, вот вторая, а что это такое, какая у них структура — никто не знает. Ну, и еще следят за самым высокочастотным пиком — это внутримолекулярный виброн — его наличие означает, что водород еще молекулярный, а не атомарный.
— Это предыстория. Что радикально нового произошло сейчас?
— Это новая статья Диаса и Сильверы, опубликованная в Science . До этого года все упирались в эти четыре мегабара. Сильвера вернулся в низкие температуры и заявил, что смог пробиться к пяти мегабарам. По его словам, это удалось благодаря более тщательной полировке алмаза — обработке с атомарной точностью. Они убирали ионными пучками неровности в несколько атомных слоев. Так им удалось пройти до 5 мегабар, и они увидели, что на 4,9 мегабара водород начал отражать свет. До этого он был черным, а выше 4,9 мегабара стал отражать свет. Коэффициент отражения выше 90%.
— Минутку, как это фиксируется? Они смотрят сквозь алмазные наковальни?
— Да. На фотографии видно, как это происходит. Этот эллипс — твердый водород диаметром девять микрон и толщиной в микрон. При малом давлении он был прозрачным, потом стал черным, а при пяти мегабарах стал отражать свет. Спектр отражения у них есть во всемвидимом диапазоне. Он согласуется со спектром отражения нормального металла. Хотя никто не знает, твердый он или жидкий, никто не знает, какая у него структура, но он отражает. 
Фотографии водорода при разном давлении. Образец освещался светодиодами с двух сторон. Слева — 205 ГПа (образец прозрачен, виден задний светодиод), в центре — 415 ГПа (образец почернел и стал непрозрачен, справа вверху — гало от несфокусированного светодиода, светлое кольцо — рениевая прокладка), справа — 495 ГПа — образец стал отражать. Центральное пятно, водород, отражает заметно больше, чем рениевое кольцо. Фото из статьи Dias R. P. et al., Science 10.1126/science.aal1579 (2017) Конечно, поскольку сейчас в этой области большая гонка, то почти все группы заявили протест, дескать, всё это ерунда, поскольку у них алмазы ничуть не хуже. Говорят, что надо разбираться, что, может быть, это отразился кусок металлической прокладки, притом узкощелевые проводники тоже неплохо отражают. В общем, надо доказать, что это металл. Либо кто-то, например Еремец или Шимицу, изловчится и засунет туда электроды и измерит сопротивление аккуратно, либо тот же Сильвера или кто-то еще повторит этот опыт и снимет спектр начиная с дальнего инфракрасного диапазона. Дело в том, что отражение в видимом свете слабо убеждает физиков, что это металл, а если это широкий диапазон, тогда это действительно аргумент. Наконец, если это сверхпроводник, то можно посмотреть эффект Мейснера, есть резонансные методы — такие образцы на наковальнях вполне измеримы на сверхпроводимость. Таково состояние дел. Сейчас будут повторять эксперимент, в том числе и сам Сильвера. А пока есть факт сильно отражающего водорода, опубликованный в Science,
где три рецензента.
— Как насчет использования металлического водорода в народном хозяйстве? Говорят, что он, возможно, метастабилен, говорят про высокотемпературную сверхпроводимость. Это хоть в какой-то степени серьезно?
— Это скорее пиар. Даже Сильвера считает, что вряд ли. Структура неизвестна — рентген здесь не снимешь. А для большинства теоретических структур, которые получают на численных моделях, нет динамической устойчивости при нормальных давлениях, т. е. при снятии давления они должны разрушаться. Хотя формально исключить этого нельзя — мало ли какая еще структура может там оказаться. Но опять же, если структура выживет при нормальном давлении и гелиевых температурах, это не значит, что мы можем ее нагреть, — таких примеров нет. Так что это в основном пиар. Хотя задача чрезвычайно интересна с фундаментальной точки зрения. Например, говорят о том, что это может быть одновременно сверхпроводящая и сверхтекучая жидкость. Если же рассуждать о практике, то тут скорее могут пригодиться сильно богатые водородом гидриды. Под давлением стабилизируются многие гидриды типа (металл)Н 8 , например. Многие из них, видимо, могут быть метастабильными при нормальном давлении и тоже иметь уникальные свойства.
— Но в астрофизике металлический водород так и так важен. Тоже своего рода «народное хозяйство». Еще вопрос по поводу структуры. Рентгеном ее снять не удается потому, что образец слишком тонок?
— Даже если бы он был побольше — у него всего один электрон, у бедного. Всё, что легче углерода, — с трудом поддается исследованию рентгеном для образцов микронного размера. В принципе, можно было бы снять нейтронами в случае дейтерия (но тогда образец должен быть больше хотя бы раз в десять) либо очень мощным рентгеном на монокристалле водорода — так уже делалось до одного мегабара, но тоже для образцов в десять раз больше…
Вадим Бражкин
Беседовал Борис Штерн
Загрузка...