科学家已经学会了如何制造氢金属

莫斯科物理技术学院和 JIHT RAS 的科学家们创建了一个流体状态下金属氢形成的动力学模型。

这项工作发表在 ChemPhysChem 杂志上。氢是宇宙中最丰富的元素。在正常情况下，它是一种气体。如果用数千个大气压的压力压缩，那么可能首先得到液体，然后是固体，这很可能具有独特的超导特性。尽管如此，氢在高压下的行为仍然知之甚少。例如，天体物理学中使用众所周知的实验模型来解释木星核心的结构：巨行星内部的液态氢在足够高的压力下变成金属，这会影响它们的磁场。

同时，目前还没有氢向这种状态转变的理论模型，巨行星金属层的深度仍然是个谜。许多国家的实验室正在研究氢转化为等离子体/金属。然而，各种实验和理论方法并没有给出一致的结果。解释这种转变的尝试已经成为理论和计算物理学新方法的一种试验场。MIPT 的科学家们决定从等离子体/金属相的起源来研究这个神秘的过程：他们开发了一个模型来模拟第一个类等离子体团簇的出现，导致在高密度氢流体中形成等离子体，并建立了一个多阶段转换机制，使得当今实验研究结果存在的矛盾得以调和。

用于加热在金刚石砧座中压缩的氢样品的装置

氘冲击压缩装置

十多年来，在实验室中制造金属氢的可能性一直占据着科学家们的脑海。据推测，它可能具有高温超导等超能力，它的使用可以将电气工程、能源和火箭科学的发展带入不同的质的层次。自 20 世纪 90 年代以来，密集的氢流体向金属/等离子体的神秘转变一直在实验中得到深入研究。

为此，实验人员使用非常大的设施：爆炸实验在萨罗夫进行，使用超强激光和超短电流脉冲的激光实验在美国进行：在国家点火装置的利弗莫尔实验室和桑迪亚实验室在 Z 机器上。同时，在带有金刚石砧的“桌面”设备上也可以获得有趣的结果，哈佛大学的 Isaac Silvera 教授的团队就是这样做的。然而，不同的实验仍然给出了完全不同的高密度氢流体向等离子体（金属）状态转变的阈值参数。

请注意，金属液体和等离子体之间的差异相当随意：等离子体是更热的状态，液态金属更冷，并且在这两种状态下都有自由电子传导电流。早在 1930 年代，伟大的理论物理学家尤金·维格纳 (Eugene Wigner) 就预测，在低温下，氢气中有一个区域会变成固体并变成金属，现在全世界都对这一相进行了极大的研究。因此，科学家们在几个方向上取得了进展，但在任何一个方向上都没有得出明确的结果。

形成激子的单个填充上层电子轨道的电子密度表面和这些轨道的 Wannier 中心

“到 2017 年，当我们开始处理这个问题时，正在讨论将高密度氢流体转变为等离子体的两种主要模型。首先是分子氢衰变并形成等离子体。然而，在这种情况下，很多事情并不清楚，例如，氢原子是否出现在这个过程中。第二个假设是，在加热/压缩时，氢逐渐从半导体状态转变为金属状态，带隙逐渐减小。

同时，无论是一个假设还是另一个假设都无法解释如此大的转变温度和压力分布以及实​验中观察到的整套效应。我们团队开发的第三种方法是等离子体相变期间的亚稳态模型。然而，在我们的工作中，我们决定走得更远，完全放弃热力学平衡的概念，”该研究的作者之一、俄罗斯科学院高温联合研究所研究员 Ilya Fedorov 说。莫斯科物理技术学院凝聚态物理超级计算机方法实验室。

分子致密的加热氢转变为等离子体的机理示意图/

由于到 2017 年已经积累了相当多的计算和实验，但并未给出过渡的统一图景，显然需要以新的眼光看待这个问题，一种能够考虑新物理和新效应的新方法. MIPT 科学家决定在电子力场 (eFF) 公式中使用波包方法。让我们解释一下它的本质是什么。正在进行的转变研究不是针对固体分子氢，而是针对流体，一种转化为等离子体的致密分子液体，其中存在自由电子。

以波包形式表示电子可以在模型中保留电子和离子子系统的耦合效应。计算表明，激发的电子子系统是“触发器”，是氢分子流体转变为等离子体的触发器。此外，必须通过更精确的量子力学计算方法来验证在 eFF 模型中获得的这种效果。

“为什么我们要认真对待这种新效应，因为以前的文献中没有描述过这种效应？重点是凝聚态物理学中最流行的量子计算方法是有限温度公式中的密度泛函理论。这一理论在许多领域都得到了很好的证明，使我们能够考虑各种密度和温度下的材料。然而，尽管氢气非常简单，但在高压下就不再那么简单了。

在高密度下，分子之间的距离变得与分子内部原子之间的距离处于同一数量级。结果，整个系统变成了介于普通液体和具有许多质子和电子的大分子之间的东西。在这种情况下，关于电子动力学和原子核动力学独立性的假设（即绝热近似）可能是不正确的。也就是说，这种近似是密度泛函理论的有限温度公式的基础，”JIHT RAS 系主任和莫斯科物理技术学院凝聚态物理超级计算机方法实验室主任 Vladimir Stegailov 强调说。

“为了更详细地研究发现的效应，我们计算了第一激发单线态下的量子分子动力学。他们发现了激子解离在分子阶段的影响，”Ilya Fedorov 说。激子解离是材料中电子激发演化的基本微观过程。激子是电子和空穴的束缚态。通常，激子是在激光照射作用下在固体或二维材料中形成的。这项工作的作者成功地表明，激子是在稠密的氢分子流体中自发形成的，它们的解离是解释分子流体转变为等离子体的实验的机制。基于这个概念，作者制定了多阶段过渡机制。

具有不同实验点的简化相图和由此产生的激子解离曲线（黑色虚线）

“最初，我们有一种分子氢流体，随着它的加热，由于从原子核到电子的振动能量转移（即激子 - 电子 - 空穴对出现），电子越来越多地自发激发, 但随后这些激发回到基态 (I), 然后在某个时刻激子在反向复合 (II) 时刻之前有时间解离并且不能再返回。这个过程从质子中获取动能（在实验中，随着能量输入的逐渐增加，观察到温度平台，相图上的红点）。

因此，我们有一个由两个电子和两个质子组成的束缚簇形式的“等离子体胚芽”，因为在实验条件下氢流体中有许多这样的过程，类等离子体相开始以分离的形式生长孤立的簇，首先开始吸收光（相图上的绿点），然后（III），当簇大小与探测激光脉冲的波长相称时，它们开始反射（相图上的蓝点） ). 结果，当在实验中观察到电导率增加时（相图中的紫色点），整个流体进入等离子体 (IV)，”Ilya Fedorov 解释道。

相图显示了自 1996 年以来获得的各种实验转变点，而如前所述，上面以不同颜色显示了不同类型的实验观察结果。MIPT 科学家发现的单个激子解离的参数用黑色曲线表示，这与在金刚石砧（红点）中观察到的跃迁非常吻合。

因此，构建机制的不同阶段能够解释实验中观察到的不同效果。电子的非绝热动力学是该机制的基础，在其他理论著作中没有考虑，这使得可以通过类等离子体团簇形成过程的不同动力学来解释实验分歧。

“我们首次使用量子力学计算方法来描述微体积致密分子氢流体中类等离子体团簇的发生，这使我们能够建立一个模型来描述这种转变的物理机制。因此，我们有机会重新审视整套正在进行的实验，并对这一现象形成新的定性图景，协调实验结果中的重大矛盾。新模型表明，由于不同的速度和不同的条件，因此获得了不同的过渡参数，这些参数是通过实验检测到的。从某种意义上说，我们得到了一种放纵，让我们可以放弃对实验数据的平衡热力学解释。

所有的实验都是正确的，但是为了解释它们，有必要从不同的角度来看待这种现象。实验为我们提供了转变发生时的压力和温度的定量数据。但由于提出的模型，未来将有可能在特定条件下和特定实验中描述氢的压缩，并预测它可以在什么时间点开始传导电流。这些模型也有可能用于固体物理学和二维结构，例如，阐明无机和有机太阳能电池元件的工作原理，”Vladimir Stegailov 总结道。