Kovový vodík je „svatým grálem“ fyziky vysokých tlaků. Fyzikům by mohl poskytnout nové poznatky pro studium vysokoteplotní supravodivosti. Američtí vědci teď tvrdí, že existenci kovového vodíku konečně potvrdili.
V roce 2008 švédští a francouzští fyzici jako první spočítali krystalickou strukturu kovové fáze silanu. Za normálních podmínek je to plyn složený z křemíku a vodíku, který se za velmi vysokých hodnot tlaku stává kovem a supravodičem. Jejich výsledky byly důležitým krokem k pochopení struktury kovového vodíku.
Pohled do periodické tabulky prvků napovídá, že vodík by měl být při dostatečně velké hustotě kovem, protože je ve stejném sloupci jako alkalické kovy. Jenže existenci kovové fáze vodíku se až dosud nepodařilo předvést, i když existence nízkoteplotní transformace pevného vodíku na kov byla předpovězena už před 80 lety.
Teď se však všechno změnilo. Američtí fyzici tvrdí, že existenci kovového vodíku experimentálně potvrdili. Materiál potřebuje další zkoumání, není zcela jasné, jestli jde o pevnou látku, nebo tekutinu. Protože však teoretici přisoudili kovovému vodíku velmi exotické a slibné vlastnosti, jako je supravodivost při pokojové teplotě, další výzkum je na místě.
Vodík je za standardních podmínek bezbarvý dvouatomový plyn. V roce 1935 však fyzici Eugene Wigner a Hillard Huntington předpověděli, že při tlaku 25 Gpa a vyšším se z něj může vytvořit pevný kov. Později se ukázalo, že odhad tlaku (250 000x vyššího, než je tlak atmosférický) byl značně podhodnocen. Vodík je totiž s rostoucí hustotou méně stlačitelný.
Kapalný kovový vodík tvoří z velké části planety Jupiter a Saturn. Uměle je možné jej vytvořit zahříváním plynného vodíku při vysokých tlacích, až dosáhne takzvaného plazmového fázového přechodu. Ten poprvé v roce 2016 pozoroval Isaac Silvera na Harvard University.
Wigner-Huntingtonův přechod, při němž pevný kovový vodík vzniká bez přídavného zahřívání dokonce při ještě vyšších hodnotách tlaku, se však dosud, navzdory značnému úsilí, nepodařilo experimentálně pozorovat. Materiál by však mohl mít velmi zajímavé vlastnosti. Neil Ashcroft z Cornell University přišel totiž už v roce 1968 s tvrzením, že to může být vysokoteplotní supravodič. V roce 2011 teoretici z Illinois spočítali, že teplota přechodu bude při tlaku 500 Gpa vysoko nad pokojovou teplotou.
V roce 2016 dokázal tým z Harvardu stlačit vodík v diamantové komůrce na hodnotu 420 Gpa a to je nejvyšší dosud dosažený statický tlak. Při hodnotě tlaku 335 Gpa se vzorek změnil z průhledného na černý, ale fyzici usoudili, že o kovový vodík ještě nejde. Objevila se však pozoruhodná shoda. Němečtí fyzici z ústavu Maxe Plancka ve stejné době publikovali práci, ve které popisují vznik „pravděpodobně“ kovové fáze vodíku při tlaku 360 Gpa. Tým z Harvardu na to okamžitě reagoval tím, že jde o stejný výsledek, jakého dosáhli oni.
Přeměna molekulárního
vodíku na kovový v diamantovém lisu (obrázek: R. Dias / I.F.
Silvera)
To harvardské fyziky podnítilo k novému výzkumu, v němž modifikovali aparaturu tak, aby dosahovali ještě vyšších tlaků. Zjistili přitom, že při tlaku 495 GPa se vzorek mění z černého na lesklý s vysokou odrazivostí, což je utvrdilo v tom, že jde o kov. Pochopitelně že zůstává mnoho nezodpovězených otázek.
Fáze přeměny
molekulárního vodíku na kovový (obrázek: R. Dias / I.F. Silvera)
Vědci udržovali vzorek stabilizovaný v kapalném dusíku přibližně tři měsíce. Nyní mají v úmyslu provést řadu testů – mezi nimi Ramanův a rentgenový rozptyl –, které by měly určit stav a strukturu vzorku, a také měření elektrického odporu k určení elektrické vodivosti. Pak přijde na řadu to nejpodstatnější: pokus zrušit tlak a zjistit, jestli vodík zůstane v kovovém stavu.
Fyzici už dávno předpověděli, že kovový vodík bude metastabilní. Pokud se změní na supravodič, bude to extrémně zajímavé, i když není jasné, co se stane s teplotou přechodu. Na Harvardu předpokládají, že pokud bude vodík supravodičem při velmi vysokém tlaku a bude metastabilní, kritická teplota se při zrušení tlaku sice změní, ale nikoli výrazně.
Fyzici z Illinois, kteří na problému intenzivně pracují, jsou z výsledků nadšení. Protože se však už v minulosti objevilo příliš mnoho chybných tvrzení, zachovávají si určitou opatrnost. Experimenty mají samozřejmě i své kritiky. Ti skutečnost, že vzorek výborně odráží záření, odůvodňují tím, že jde o polovodič. Polovodiče s úzkým pásem totiž odrážejí světlo také velmi dobře. Potřeba je skutečně změřit vodivost vzorku.
Fyzici z Harvardu však argumentují, že odrazivost u polovodičů roste s teplotou, zatímco jejich materiál odráží lépe při ochlazování vzorku, což je vlastnost, která je typická pro kovy.
Ať má pravdu kdokoli, jisté je jedno: problém je pro fyziku natolik důležitý, že vyžaduje další intenzivní studium.
Výroba kovového vodíku (zdroj: Harvard University)
Původní práce byla uveřejněna v Science a na
nanotechweb.org.
Mohlo by vás zajímat:
Kvantový
volný pád
Nový
pomocník v medicíně
První
grafenový reproduktor
Fyzikální
„Top Ten“ za rok 2016: Část I