A nagy nyomás különleges tulajdonságokkal ruházza fel a hidrogént

Szokványosan egy hidrogénmolekulában és egy fémben annyi a közös, mint egy zacskó konfettiben és egy könyvben. A hidrogént fémes vezetővé tenni legalább olyan nehéz, mint a papír fecniket nyomtatott könyvvé összeállítani. De pontosan ez sikerült most a Max Planck Intézet kutatóinak. A hidrogént 25 Celsius fokos hőmérsékleten nagy nyomás alá helyezték és az elem egy eddig ismeretlen állapotát fedezték fel: a 2,2 megabarnál nagyobb nyomáson a hidrogén úgy viselkedik, mint egy félvezető. Körülbelül 2,7 megabartól az elem fémes tulajdonságokat vesz fel, mindezt lényegesen kisebb nyomáson, mint ahogyan azt az elméleti kutatások előre jelezték. A megfigyelések új tulajdonságokkal rendelkező anyagok nyomára vezethetnek.

A fémes hidrogén a legtöbb vegyész számára aligha ismert. Viszont a hidrogén a fémekkel kémiailag nagyon is rokon, mivel ugyanabba a főcsoportba tartozik, mint az alkálifémek, bár legtöbbször nem sorolják közéjük. A Földön a hidrogén normálisan csak kétatomos molekulák formájában van jelen, azaz nem fémes. A világűrben azonban ez egészen másként festhet, pl. a Jupiter belsejében fémként lehet jelen. Ezt sejtik az asztrofizikusok és erre vezetik vissza a bolygó erős mágneses mezejét.

„A hidrogén Jupiterben elképzelhető különleges tulajdonságai adták az egyik ötletet a kísérleteinkhez” – mondta Mikhail Eremets, aki Ivan Troyannal a Max Planck Intézem mainzi kémiai laboratóriumában sikerrel kényszerítette a hidrogént fémes formába. Az elemet extrém nagy nyomásnak tették ki, mint amilyen a bolygók és csillagok belsejében uralkodhat. Ezt úgy sikerült elérni, hogy némi hidrogént töltöttek két gyémántból készült miniatűr üllő közé, amelyeket fokozatosan összepréseltek. Az elemet Raman-spektrométerrel figyelték meg, ami a fény szóródásából információkat szolgáltatott nekik a hidrogénmolekulák térbeli elrendeződéséről.

Mikhail Eremets (balra) és Ivan Troyan a kísérleti berendezéssel (© MPI für Chemie)

230000 bar nyomáson a hidrogén egy merev testté szilárdult meg, a molekulái azonban megmaradtak. Amint elérték a 2,2 megabart, a spektrumok segítségével azt jegyezhették fel a kutatók, hogy az elem struktúrája megváltozott. Egy időben a hidrogén félvezetővé vált, amit a vezetőképesség mérésével sikerült megállapítani. „Ez a félvezető állapot eddig ismeretlen volt” – mondta Eremets.

A kutatók a próbára gyakorolt nyomást tovább növelték, ezzel párhuzamosan a vezetőképesség fokozatosan emelkedett, majd 2,7 megabarnál hirtelen az ezerszeresére ugrott. Ezt az ugrást a számítások először majdnem 4 megabarnál jelezték előre. „A pontos vezetőképesség érték valószínűleg még nagyobb” – mondta Troyan. Ezen a nyomáson a próbában protonok is létrejöhettek, amelyek a készülék mérőelektródáin egyfajta elektromos záró réteget építhetnek fel. „Ezt a problémát a további vizsgálatok során úgy akarjuk megoldani, hogy a vezetőképességet egy nagyon nagy frekvenciájú váltakozó áram segítségével határozzuk meg” – tette hozzá.

Következő lépésben a kutatók a javított méréstechnikával megpróbálják kideríteni, hogy pontosan mi is történt 2,7 megabarnál. Jelenleg abból indulnak ki, hogy a hidrogén ezen a nyomáson fémes vezető lesz. De az is lehetséges, hogy az elem ezen körülmények között szupravezetővé válik, tehát elektromos áramot szállít ellenállás nélkül és mindezt szobahőmérsékleten.

„Talán az eddigi kísérleteinkben ezt nem tudtuk mérni” – mondta Troyan. Ez azonban nem az egyetlen nem teljesen világos dolog: „Lehetséges, hogy a hidrogén 2,7 megabar nyomás felett nem fémes szilárdtestként viselkedik, hanem fémes folyadékként, mint amilyen a higany” – mondta Eremets. Ebben az esetben egy nagyon különleges folyadékról lehet szó, egy ún. kvantumfolyadékról, amit szuperfolyékony folyadéknak is hívnak, utalva arra a tulajdonságára, hogy súrlódás nélkül áramlik. „Még az is lehet, hogy a hidrogén bizonyos körülmények között egy időben lesz szupravezető és szuperfolyékony” – mondta Eremets. Ha sikerül bebizonyítani a hidrogén lehet az első ismert elem, amely mindkét bámulatos kvantumeffektust egyszerre produkálja.

Forrás: Max Planck Gesellschaft

Ritzinger György