Исследователи из Великобритании и США заявляют, что они обнаружили новую фазу водорода, в которой двухатомные молекулы разрушаются, образуя шестичленные циклы, подобные шестичленным циклам графена.

Новая фаза, образование которой происходит при приложении чрезвычайно высокого давления, может оказаться ступенькой на пути к металлическому водороду.

Великий поход к металлическому водороду начался еще в конце XIX века, когда химики заметили, что элемент, находящейся в той же группе Периодической системы, что и щелочные металлы, принципиально может проявлять металлические свойства. В 1935 физики Ойген Вигнер (Eugene Wigner) и Хиллард Белл Нантингтон (Hillard Bell Huntington) предсказывали, что

водород может проявлять металлические свойства при высоких давлениях – около 25 ГПа,

однако проделанные для доказательства этого предположения эксперименты не позволили наблюдать металлическое состояние водорода, и в дальнейших экспериментах исследователи увеличивали давление в системе. В прошлом году Михаил Еремец (Mikhail Eremets) и Иван Троян (Ivan Troyan) заявили, что

получили металлический водород при давлениях 260 ГПа, однако большая часть исследователей относится к их аргументам неоднозначно.

Тем не менее, попытки исследователей получить металлический водород продолжаются, поскольку такое состояние водорода может оказаться весьма полезным с практической точки зрения – есть предположение, что изучение металлического водорода позволит разработать высокотемпературные сверхпроводники.

Рис. 1. При чрезвычайно высоких давлениях
водород может образовывать структуру,
напоминающую структуру графена. (Рисунок из
Phys. Rev. Lett., 2012, 108,125501).

В группе Евгения Грегорянца (Eugene Gregoryanz) из Университета Эдинбурга получили новую фазу твердого водорода, которая, по их словам, может стать ступенькой на пути к металлическому водороду. Существуют три известных твердых фазы водорода, которые можно получить в результате сверхохлаждения газообразного водорода:

• фаза I, плотно упакованная структура, состоящая из свободно вращающихся молекул;
• фаза II, структура, похожая на фазу I, но с большей степенью ориентационной упорядоченности;
• и фаза III, структура, в которой прочность связей H-H настолько ослабевает, что в данном случае водород уже можно считать не молекулярным, а частично атомизированным.

На фазовой диаграмме хорошо определяется область пересечения этих трех фазовых состояний, но что происходит, если приложить к фазе III еще более высокое давление, пока еще не было известно. Именно этот переход и привлек внимание исследователей из группы Грегорянца.

Исследователи подвергали образцы водорода и дейтерия давлению до 315 ГПа на алмазной наковальне при температуре 300K. С помощью спектроскопии комбинационного рассеяния исследователи измеряли вибронную частоту, которая определяет прочность связи H-H и, следовательно, «степень молекулярности» водорода.

При 220 ГПа исследователи наблюдали понижение интенсивности основной вибронной частоты и появление новой частоты.

Для интерпретации полученных результатов исследователи из группы Грегорянца использовали теоретическую модель твердых фаз водорода, разработанную в 2007 году физиками Крисом Пикардом (Chris Pickard) и Ричардом Нидсом (Richard Needs). Одно из этих теоретических предсказаний находилось в хорошем согласовании с экспериментально полученными результатами – образование графеноподобных слоев водорода, в которых атомы водорода размещаются в вершинах неправильных шестиугольников – такое расположение позволяет объяснить и понижение интенсивности основной вибронной частоты, и появление второго вибронного колебания. По словам Грегорянца,

при высоких давлениях такие графеноподобные слои могут симметризоваться, а твердая фаза водорода – проявлять полупроводниковые свойства.

Специалист по металлическому водороду из з Гарварда Уильям Неллис (William Nellis) говорит о том, что Грегорянц вдохнул новую жизнь в изучение твердофазного водорода. Он говорит, что ширина запрещенной зоны в 1,8 эВ еще не позволяет говорить о металлических свойствах новой фазы, однако уверен, что за методологией, использованной в работе, большое будущее –

исследователи объяснили экспериментальные детали подхода к эксперименту, то, как им удавалось избегать диффузии водорода при столь высоких давлениях, что, очевидно будет полезно для последующих экспериментов в этой области.