بر اساس ادعای پژوهش‌گرانی از ایالات متحده، تبدیل هیدروژن جامد به یک فلز در دمای پایین (که اولین بار در ۸۰ سال گذشته پیش‌بینی شده) برای اولین بار مشاهده شده است. هرچند لازم است تا این ادعا تحت کاوش بیشتری قرار گیرد (به وضوح مشخص نیست که جامد است یا مایع) اما برخی از نظریه‌پردازان ویژگی‌های عجیب‌ و غریب و مفید پتانسیل‌داری را برای هیدورژن فلزی همچون ابررسانایی دمای پایین پیش‌بینی کرده‌اند. با این حال، حداقل یکی از فیزیک‌دانان برجسته متخصصِ فشار بالا با نتایج این پژوهش متقاعد نشده است.

هیدروژن در شرایط استاندارد یک گاز اتمی بی‌رنگ است. با این وجود در سال ۱۹۳۵، یوجین ویگنر (Eugene Wigner) و هیلارد هانتینگتون (Hillard Huntington) پیش‌بینی کرده‌اند که در فشار ۲۵ گیگاپاسکال (۲۵۰ هزار برابر فشار اتمسفر) یا در فشارهای بالاتر، یک فلز جامد اتمی ایجاد خواهد شد. بعدها نشان داده شده است که این فشار بسیار دست‌کم گرفته شده و اگر هیدروژن را کمتر متراکم کنیم چگالی آن افزایش می‌یابد. هیدروژن فلزی مایع عمده‌ی سیارات مشتری و زحل را تشکیل می‌دهد و این فلز مایع را می‌توان با گرما دادن هیدروژن در فشارهای بالا تا جایی‌که به گذار معروف به گذار فاز پلاسما برسد، تولید کرد. این پدیده اولین بار در آزمایش‌های استاتیک که توسط آیزاک سیلورا (Isaac Silvera) و همکارانش در دانشگاه هاروارد در سال ۲۰۱۶ مشاهده شده است.

با این وجود گذار معروف به ویگنر-هانتینگتون که در آن هیدروژن فلزی جامد بدون گرمادادن حتی در فشارهای بالاتر ایجاد می‌شود، به شکل قطعی مشاهده نشده است؛ علی‌رغم پیشنهاداتی که ویژگی‌های جالبی را برای این ماده شمرده‌اند. در سال ۱۹۶۸، نیل اشکرافت (Neil Ashcroft ) از دانشگاه کورنل در ایتاکای نیویورک پیشنهاد داد که این ماده می‌تواند یک ابررسانای دمای بالا باشد. سپس در سال ۲۰۱۱، دیوید سپرلی (David Ceperley) و جفری مک‌ماهون (Jeffrey McMahon) از دانشگاه ایلینوی پیش‌بینی کرده‌اند که در ۵۰۰ گیگاپاسکال، دمای گذار به خوبی بالاتر از دمای اتاق خواهد بود.

محو شدن به سمت سیاهی

در سال ۲۰۱۶، تیم سیلورا هیدروژن متراکم‌شده‌ای را در یک سلول سندان تا ۴۲۰ گیگاپاسکال را گزارش داده‌اند؛ بالاترین فشار استاتیکی که در مقاله‌ای و در سرور پیش‌چاپ arXiv گزارش شده است. این نمونه در ۳۳۵ گیگاپاسکال از یک فاز شفاف به سیاه تبدیل می‌شود، اما نتیجه گرفته شد که فلز نیست. جالب اینکه میخائیل ارمتز (Mikhail Eremets) و همکارانش در موسسه‌ی ماکس پلانک شیمی در ماینز آلمان مقاله‌ی دیگری را در سال ۲۰۱۶ منتشر کرده و یک فاز «فلزی ممکن» را برای هیدروژن در ۳۶۰ گیگاپاسکال شناسایی کرده‌اند. سیلورا و همکارانش معتقدند که احتمالاً این همان فازی است که آنان مشاهده کرده‌اند.

سیلورا و همکارش رانگا دیاس (Ranga Dias) در این پژوهش جدید، ابزار خود را چنان تغییر داده‌اند که فشار را به مقدار بیشتری افزایش دهد. آن‌ها دریافتند که این نمونه در ۴۹۵ گیگاپاسکال از سیاه به بشدت بازتابنده تغییر کرده است؛ چیزی که به گفته‌ی سیلورا و دیاس گواهی بر این است که هیدروژن فلز شده است. با این حال سوالات بسیار زیادی باقی همچون حالت نمونه باقی می‌ماند. به گفته‌ی سیلورا: «امکان دارد در دماهای پایین، حالت پایه‌ی هیدروژن یک مایع باشد، اگر مایع باشد تمام بخش‌های فاز یکسان هیدروژن فلزی مایع است. اگر جامد باشد، که بنظر من هم همین‌طور است، این هم جالب‌توجه است».

سیلورا و دیاس نمونه موردنظر را در دماهای نیتروژن مایع به مدت سه ماه نگه داشته‌اند. آن‌ها اکنون قصد دارند تا مجموعه‌ای از آزمایش‌هایی که چالش بیشتری را برمی‌انگیزد همچون پراکندگی‌های رامان و پرتوی اشعه‌ی ایکس را برای تعیین حالت، ساختار  و اندازه‌گیری‌های مقاومت نمونه برای تعیین رسانایی الکتریکی آن انجام دهند. شاید بسیار وسوسه‌انگیز باشد تا فشار آن را رها کنند تا ببینند فلز باقی می‌ماند یا نه. آن‌طور که سیلوار توضیح می‌دهد: «پیش‌بینی شده است که هیدروژن فلزی شبه‌پایدار باشد». اگر معلوم شود که یک ابررساناست بسیار جالب‌توجه خواهد بود؛ اگرچه آن‌چه بر سر دمای گذار می‌آید هنوز نامشخص خواهد ماند. به بیان سیلورا: «اگر در دماهای بسیار بالا ابررسانا باشد و شما فشار را رها کنید و شبه‌پایدار باشد انتظار خواهم داشت دمای بحرانی تاحدودی تغییر یابد اما احتمالاً نه خیلی زیاد».

سپرلی با احتیاط به این موضوع علاقه‌ نشان می‌دهد، به گفته‌ی وی: « جستجوی هیدروژن فلزی بک نوع زمینه‌ی بحث‌برانگیز است. ادعاهای بسیار زیاد نادرست در گذشته وجود داشته بنابراین بنظر من هرکسی در صدد اثبات ادعای خود و داده‌های بیشتری از فاز جدید خواهد بود».

با این حال ارمتز متقاعد نشده و می‌گوید: «ما دلایل بسیار قوی‌تری برای وجود هیدروژن فلزی مشاهده کرده‌ایم اما ادعا نکرده‌ایم که آن این حالت در حقیقت حالت فلزی بوده است تنها ادعا آن بوده که ممکن است فلزی باشد. او عدم وجود آزمایش‌های مکرر را به باد انتقاد گرفته و اندازه‌گیری فشار در این فناوری را «مبهم» می‌نامد. به بیان او فشار حقیقی می‌تواند هرجایی مابین ۴۰۰ تا ۶۳۰ گیگاپاسکال باشد. سرانجام او از اتکای این پژوهش‌گران بر اندازه‌گیری‌های بازتاب به عنوان اثباتی بر فلزی بودن نمونه بدون داده‌های رسانایی، انتقاد می‌کند. وی می‌گوید: «آن‌چه آن‌ها مشاهده کرده‌اند می‌تواند از یک نیم‌سانا بوده باشد چون نیم‌رساناهای با گاف باریک‌تر نیز بازتاب‌گر خوبی هستند».

سیلورا این تفسیرها را انکار کرده و می‌گوید که بازتابش یک نیم‌رسانا با افزایش دما بایستی افزایش یابد درحالی‌که بازتابش ماده‌ی آن‌ها با سردشدن افزایش می‌یابد. وی نتیجه‌ می‌گیرد که:«این رفتاری است که از یک رسانا انتظار می‌رود».

این پژوهش در مجله‌ی ساینس انتشار یافته است.

درباره‌ی نویسنده:

تیم وگان نویسنده‌ی علمی در انگلستان است.

منبع:

Has metallic hydrogen been seen at long last?