4:00 ص
فيزياء البصريات
وفقًا لتنبؤات فيزياء المادة المكثفة ، عند الضغط العالي الكافي ، يجب أن ينفصل الهيدروجين ويتحول إلى معدن ذري. ومع ذلك ، فإن مدى الضغط الدقيق الذي يحدث عنده لم يتم التأكد منه بعد ، ولا تزال العملية التي يصبح الهيدروجين خلالها معدنًا غير واضحة إلى حد ما.
في دراسة حديثة ، أظهر الباحثون في معهد ماكس بلانك للكيمياء أنه عند ضغط يتراوح بين 350 و 360 GPa وفي درجات حرارة أقل من 200K ، يبدأ الهيدروجين الجزيئي في السلوك ويصبح نصف معدني. تقدم بحثهم المنشور في مجلة Nature Physics رؤية جديدة ومثيرة للاهتمام حول انتقال الهيدروجين في ضغوط عالية ، وكشف النقاب عن بعض الخصائص التي يكتسبها.
وقال ميخائيل إريميتس ، أحد الباحثين الذين أجروا هذه الدراسة ، "عادة ، يعتبر الهيدروجين المعدني هيدروجينًا ذريًا - بلورة مبنية من بروتونات بعد تفكك الجزيئات". "ومع ذلك ، يمكن للهيدروجين أيضًا أن يتحول إلى معدن في الحالة الجزيئية - وفي هذه الحالة ، تتسع نطاقات إلكترونية من بلورة الهيدروجين الجزيئي وتتداخل في نهاية المطاف بحيث تغلق فجوة الشريط ، وتظهر الإلكترونات الحرة والثقوب - هذه حالة معدنية."
تُعرف الحالة الأولية التي تتداخل فيها الأشرطة الإلكترونية لكريستال الهيدروجين الجزيئي باسم semimetal. في هذه الحالة ، فإن المعدن لديه الموصلية الضعيفة ، حيث أن عدد الناقلات منخفض. في حالة زيادة الضغط ، يتحول هذا المعدن الذي يعمل بشكل سيء إلى معدن طبيعي وفي نهاية المطاف إلى هيدروجين ذري.
وقال إريميتس: "كان هدفنا إيجاد الضغط الذي يظهر عنده التوصيل الكهربائي المعدني ، وإذا كان هذا ينتج عنه معدن جزيئي أو ذري". "لقد أجرينا قياسات كهربائية ، لأن هذه هي الطريقة الوحيدة التي تخبرنا مباشرة ما إذا كان الهيدروجين يوصل وما إذا كان معدنًا. يوصل المعدن عادةً إلى أدنى درجات الحرارة ؛ يمكن لأشباه الموصلات أيضًا إجراء التوصيل ، ولكن في درجات الحرارة المنخفضة ، تقل الموصلية بشكل كبير. ويختفي ".
في تجاربهم ، جمع الباحثون قياسات رامان تصل إلى 480 GPa لتحديد التغييرات التي تحدث في الهيدروجين في ضغوط مختلفة. وجدوا أن الهيدروجين بدأ يتصرف عند ضغوط أعلى من 360 GPa ، لكنه بقي نصف نهائي حتى 440 GPa.
لجمع قياسات رامان ، استخدم الباحثون DACs الصغيرة مع الماس الاصطناعية. هذه الألماس لها لمعان منخفض للغاية حتى عند ضغوط تصل إلى 500 GPa. بالنسبة للقياسات الكهربائية ، من ناحية أخرى ، استخدموا أربعة خيوط كهربائية متناثرة على سندان الماس ، والتي تم عزلها عن طوقا معدني بواسطة طبقة عازلة.
بشكل عام ، أظهرت القياسات التي جمعوها أن الهيدروجين نصف المعدني الذي لوحظ في تجاربهم هو في الحالة الجزيئية. تؤكد هذه النتائج فرضيتهم بأن الهيدروجين يصبح فلزًا في حالته الجزيئية.
"فوق 360 GPa ، زادت الموصلية الكهربائية بقوة مع الضغط" ، أوضح Eremets. "لم تنخفض الموصلية أضعافا مضاعفة مع التبريد ، مما يشير إلى أن الهيدروجين ليس أشباه الموصلات. من ناحية أخرى ، فإنه ليس معدن جيد ، لأن الموصلية تزداد قليلاً فقط مع التبريد. مثل هذا السلوك نموذجي بالنسبة لأشباه المعادن مثل البزموت أو الضغط التي تنتجها semimetals مثل الأكسجين أو زينون. "
بشكل عام ، توفر القياسات التي جمعها إريميتس وزملاؤه دليلًا على أن الهيدروجين شبه المعدني لا يزال في الحالة الجزيئية على الأقل حتى ضغط يصل إلى 440 GPa. عندما يرتفع الضغط فوق 440GPa ، تختفي إشارة رامان المنبعثة من الهيدروجين ، مما يشير إلى حدوث تحول آخر.
"تحقيق الضغوط المطلوبة فوق 350 GPa هو مهمة صعبة" ، وقال Eremets. "يعتمد ذلك على عدد من العوامل ، أولاً ، هندسة السنادين. لقد أجرينا العديد من المحاولات للوصول إلى ضغوط متعددة الألغاز. ومع ذلك ، حصلنا على بيانات قابلة للتكرار."
توضح الدراسة الحديثة التي أجراها إريميتس وزملاؤه بوضوح أنه فوق 360 GPa ، يتحول الهيدروجين إلى نصف معدني في حالته الجزيئية. ومع ذلك ، فإن هذه المادة شبه المعدنية تقدم بعض السلوكيات غير العادية ، والتي لا تتماشى مع التوقعات النظرية الشائعة لكون الهيدروجين المعدني في حالة ذرية. على العكس من ذلك ، لاحظ الباحثون أن الهيدروجين يتحول إلى مادة نصف معدنية في حالته الجزيئية.
"يجب أن تحفز النتائج التي توصلنا إليها على مزيد من الأعمال النظرية والتجريبية على فهم التحول المعقد للهيدروجين إلى المعدن" ، وقال Eremets. "نخطط الآن لتوسيع قياساتنا الكهربائية لتشمل ضغوطًا أعلى وإيجاد الموصلية الفائقة في الهيدروجين المعدني."
ليست هناك تعليقات: