Поход за металлическим водородом начался в конце XIX века, когда химики указали на то, что элемент, находящийся над щелочными металлами в таблице Менделеева, тоже должен переходить в металлическое состояние.

В 1935 году физики Юджин Вигнер и Хиллард Белл Хантингтон предсказали, что водород перейдёт в металлическое состояние при давлении в 25 ГПа (округлённо).

К сожалению, более поздние эксперименты, проведённые при этом давлении, не смогли продемонстрировать образование искомой фазы. Совсем недавно была предпринята очередная попытка получения металлического водорода — правда, при ещё большем давлении.

В прошлом году Михаил Еремец и Иван Троян из Химического института Макса Планка (Германия) заявили, что им удалось получить доказательства существования металлического водорода при давлении в 260 ГПа. Однако другие учёные считают эти сведения не вполне надёжными.

Зачем нужен металлический водород? Честно говоря, понять трудно. Впрочем, некоторые верят, что изучение этого экзотического материала поможет создать высокотемпературный сверхпроводник, сохраняющий своё состояние при комнатной температуре и обеспечивающий передачу электричества без потерь. (Подобная вера, право, смешнее веры в Змея Горыныча!)

Рис. 1. При высоком давлении водород способен образовывать фазы, подобные графену. (Иллюстрация American Physical Society).

И вот Евгений Григорянц из Эдинбургского университета (Шотландия) и его коллеги сообщают об открытии новой фазы твёрдого водорода, которая, как им кажется, может стать трамплином к получению металлической фазы.

На сегодня известны три фазы твёрдого водорода, которые можно получить криогенной заморозкой газа:

• фаза I — близкоупакованная структура свободно вращающихся молекул;
• фаза II похожа на первую, но с некоторой степенью ориентационного порядка;
• фаза III — структура, в которой сила Н–Н-связей ослаблена настолько, что водород может рассматриваться частично атомарным, а не молекулярным.

Никто ещё не бывал за пределами фазы III при более высоких давлениях. Что ж, это именно та область, на которую обратили своё внимание британцы.

Учёные подвергли образец смеси водорода и дейтерия воздействию сверхвысоких давлений, вплоть до 315 ГПа при температуре 300 К. Используя рамановскую спектроскопию, они измеряли частоты вибронных колебаний, которые определяют силу Н–Н-связей и, следовательно, описывают состояние молекул водорода. При 220 ГПа было обнаружено, что основная частота вибронных колебаний резко упала, в то время как вторичный виброн сохранял свою первоначальную частоту.

Для понимания полученных результатов группа Григорянца обратилась к теории твёрдых фаз водорода, обнародованной в 2007 году британскими физиками Крисом Пикардом и Ричардом Нидсом. Одним из предсказаний этой гипотезы было существование новой фазы, близко совпадающей по свойствам с наблюдаемым результатом:

графеноподобные слои водорода в нерегулярных шестичленных циклах (которые объясняют низкую частоту вибронных колебаний) перемежаются со свободными молекулами водорода (что объясняет вторичные вибронные колебания более высокой частоты). При дальнейшем повышении давления графеноподобные слои становятся более симметричными и начинают проявлять полуметаллические свойства.

К слову, результаты, полученные в этом исследовании, приняты научным сообществом с большим пиететом. Отчёт о работе можно найти в журнале Physical Review Letters.