Metalik Hidrojen

En mütevazı kimyasal element olan Hidrojen, Dünyadaki en iyi elektrik ileten malzeme olabilir. Şimdi fizikçiler bu hedefe odaklandılar.

İlk bakışta, Hidrojen atomu neredeyse can sıkıcı bir sadeliğe bürünmüş gibi duruyor: Hidrojen dedişimiz şey yalnızca bir proton ve bir elektron - hepsi bu. Ancak sadelik, benzeri görülmemiş bir çeşitliliğe de kapı aralar. Hidrojen atomu yıldızlardan nebulalara, sudan DNA’nın yapısına kadar hemen tüm önemli bileşiklerin içinde bulunur.

Şimdiye kadar, hidrojenin en büyük hüneri sadece kuramsal olarak biliniyordu. Hidrojen moleküllerinden oluşan bir gazı yeterince güçlü bir şekilde sıkıştırırsanız, er ya da geç atomlar yeni bir form içinde düzenlenir ve katı bir gövde oluşturur. Bu, elektronların serbest hareket etmesine neden olabilir. Dolayısıyla, bu, mütevazı maddeyi bir elektrik iletkenine dönüştürür.

En azından 1935'ten bu yana kuramsal olarak çalışılan bu soru, pek çok araştırmacı tarafından Nobel Ödülü kıymetinde görülüyor: Hidrojen, metal gibi davranabilir mi?

Tahminlere göre, metalik hidrojen, elektriği tamamen ve hiç direnç olmadan (burada süper iletkenlikten bahsediyoruz) muhtemelen yüksek sıcaklıklarda da iletebilir. Saf hidrojenden yapılmış bir metalin, atomlar uygun bir şekilde düzenlendikten sonra şeklini koruyabilme olasılığı bile var. Araştırmacılar Hidrojen gazını yeterince sıkıştırmanın teknik bir yolunu bulurlarsa, bir tür mucize malzeme meydana getirebilirler.

Bu nedenle, bir kaç araştırma grubu bu prestijli hedefe yıllardır büyük bir gayretle kilitlendi. Ancak bugüne kadar bu çalışmaların hiç biri fizikçilerin eleştirilerinden kutulamadı.

Fransız nükleer araştırma merkezi CEA'dan Paul Loubeyre liderliğindeki üç araştırmacının yeni bir sonucu şu ana kadarki çalışmalardan farklı olabilir. Ekip, bu alanda önde gelen gruplar arasında yer alıyor ve hidrojenin yeni aranan faz durumu için yeni kanıtlar sunuyorlar (1). Uzmanların görüşüne göre, kanıtları önceki yayınlardan çok daha sağlam.

Deneylerde elmas bile parçalanıyor

Hidrojeni bir metale dönüştürmek için çok fazla teknik çaba gerekir. Hesaplamalara göre, gaz yüz milyonlarca Atmosfer basıncı ile sıkıştırılmalıdır. Dile kolay, bu basınç, dünyanın çekirdeğindeki basıncı bile aşıyor.

Sadece elmastan yapılmış presler bir malzemeyi bu basınç değerlerinde sıkıştırabilir. Nümuneyi preslerken, elmas bile metalik hidrojeni elde edemeden kendi fiziksel sınırına ulaşır: ultra sert pres malzemesi genellikle ölçümler sırasında parçalanır.

Paul Loubeyre ve ekibi bu teknolojiyi geliştirdiler. Deneylerinde, preslerin yüzeylerini yüksek performanslı bir ışın kullanarak öğüttüler ve böylece plaka şeklinde bir girinti yarattılar. Bu yapı bir toz zerresi büyüklüğündeki gaz bulutunu yakalayabiliyor ve 600 GigaPascal basınca kadar sıkıştırabiliyor.

Araştırmacılar ayrıca, deney sırasında nümuneyi gözlemlemek için yeni bir yöntem üzerinde de çalıştılar. Önceki deneylerde, araştırmacılar görünür ışık yayan lazerler kullandı. Çünkü Hidrojen bir gaz ve sıvı olarak saydamdır. Bununla birlikte, katılaştıktan sonra, artık ışığın içine sızmasına izin vermeyecektir. Dolayısıyla Işık nümuneye artık belirli bir basınçta nüfuz edemezse, hidrojen katı halini almış demektir.

Bununla birlikte, katı hidrojen her zaman metalik hidrojenle eşanlamlı değil. Hidrojen elementinin, herhangi bir akım iletmeyen birkaç katı form alabileceği uzun zamandır biliniyor. Bu koşullardan en basit olanı, atmosferik basınçta hidrojenin -259 dereceye kadar soğutulmasıyla elde edilebilir. Öte yandan, metal Hidrojen sadece dış basınç 400 gigapaskal değerini aştığında oluşabiliyor.

Bununla birlikte, bu yüksek basınçlarda ışık bir analiz aracı olarak başarısız oluyor: 310 gigapaskalın üzerinde, artık nümuneye ışık nüfuz edemez. Bu da nümunenin fotoğraflarda siyah bir nokta olarak görünmesine neden olur. Sonuç olarak, içerideki yüksek basınçlarda neler olduğunu artık bilmek mümkün olmuyor. Loubeyre ve ekibi bu yüzden testleri için Paris yakınlarındaki bir parçacık hızlandırıcısının kızılötesi ışık kaynağını kullandılar. Bu radyasyon, 310 gigapaskalın ötesinde katı hidrojene nüfuz edebilse bile yine de bir metale giremez. (Metale elektromanyetik radyasyonun nüfuz edememesi ayrı bir yazı konusu).

Deneyde, 425 Gigapaskal basınca kadar, nümune saydam kaldı, sonra karardı. Bilim adamları bunu açıklamanın en iyi yolunun, metalik faza geçiş olduğunu savunuyor: Elektronlar bu basınçlarda atom çekirdeklerine o kadar gevşek bağlılar ki, kolayca komşu atomlara geçiş yapabiliyorlar ve böylece kızılötesi radyasyonu kesebiliyorlar. Diğer bir ifadeyle, tipik metal davranışı sergiliyorlar.

Fransız ekip, sonuçlarını 2019 yazında düzenlenen bir konferansta sunmuştu. Makalelerinin henüz gözden geçirilmemiş bir versiyonu o zamandan beri ArXiv.org sitesinde duruyor (2). Bu nedenle, diğer çalışma gruplarının çalışmaya yaklaşımı genelde olumlu. Ottawa Üniversitesi'nden Serge Desgreniers, Nature’da yayınlanan bir yorumda, bu çalışmanın, materyalin varlığına dair "neredeyse nihai" bir kanıt teşkil ettiğini söylüyor.

Uzmanların asıl bekledikleri test ise iletkenlik ölçüm testleri. Max Planck Kimya Enstitüsü'nden Mikhail Eremets, bu araştırmanın bir keşiften bahsetmek için kesinlikle gerekli olduğunu söylüyor. O ve ekibi 2019'da karşılaştırılabilir daha önce benzer bir çalışma yayınladı, ancak onun ekibi elmas presleriyle sadece 360 Gigapascal basınca kadar gelebildi (3). Hidrojen doğru şartlarda tam bir metal ve hatta bu moleküler formda bir süperiletken haline bile gelebilir, diyor Eremets. Bununla birlikte, çoğu araştırmacının asıl hedefi, moleküler bağların çözünmüş olduğu bir atomik hidrojen metalidir.

Sırada, Fransız ekibin tasarladığı elmas preslerle elektriksel iletkenliği ölçme konusunda uzman olan Alman ekibin birlikte çalışarak daha fazla test yapması var. İlerleyen yıllarda, çığır açıcı bir keşifle karşımıza tekrar çıkabilirler.