Metallischer Wasserstoff

Stoßwellenkompression, 1996bearbeiten

Im März 1996 berichtete eine Gruppe von Wissenschaftlern am Lawrence Livermore National Laboratory, dass sie zufällig den ersten identifizierbar metallischen Wasserstoff für etwa eine Mikrosekunde bei Temperaturen von Tausenden von Kelvin, Drücken von über 100 GPa (1.000.000 atm; 15.000.000 psi) und dichten von etwa 0,6 g/cm3. Das Team erwartete nicht, metallischen Wasserstoff zu produzieren, da es keinen festen Wasserstoff verwendete, der für notwendig gehalten wurde, und bei Temperaturen arbeitete, die über denen lagen, die durch die Metallisierungstheorie angegeben wurden. Frühere Studien, in denen fester Wasserstoff in Diamantambossen auf Drücke von bis zu 250 GPa (2.500.000 atm; 37.000.000 psi) komprimiert wurde, bestätigten keine nachweisbare Metallisierung. Das Team hatte einfach versucht, die weniger extremen elektrischen Leitfähigkeitsänderungen zu messen, die sie erwarteten. Die Forscher verwendeten eine Lichtgaspistole aus den 1960er Jahren, die ursprünglich für Lenkflugkörperstudien verwendet wurde, um eine Impaktorplatte in einen verschlossenen Behälter mit einer halben Millimeter dicken Probe flüssigen Wasserstoffs zu schießen. Der flüssige Wasserstoff stand in Kontakt mit Drähten, die zu einer Vorrichtung zur Messung des elektrischen Widerstands führten. Die Wissenschaftler fanden heraus, dass, als der Druck auf 140 GPa (1.400.000 atm; 21.000.000 psi) stieg, die elektronische Energiebandlücke, ein Maß für den elektrischen Widerstand, auf fast Null fiel. Die Bandlücke von Wasserstoff in seinem unkomprimierten Zustand beträgt etwa 15 eV, was ihn zu einem Isolator macht, aber mit zunehmendem Druck fiel die Bandlücke allmählich auf 0,3 eV. Da die thermische Energie der Flüssigkeit (die Temperatur wurde etwa 3.000 K oder 2.730 ° C aufgrund der Kompression der Probe) über 0,3 eV lag, könnte der Wasserstoff als metallisch angesehen werden.

Andere experimentelle Forschung, 1996-2004bearbeiten

Viele Experimente zur Herstellung von metallischem Wasserstoff unter Laborbedingungen bei statischer Kompression und niedriger Temperatur werden fortgesetzt. Arthur Ruoff und Chandrabhas Narayana von der Cornell University im Jahr 1998 und später Paul Loubeyre und René LeToullec vom Commissariat à l’Énergie Atomique, Frankreich im Jahr 2002, haben gezeigt, dass Wasserstoff bei Drücken nahe denen im Zentrum der Erde (320-340 GPa oder 3.200.000–3.400.000 atm) und Temperaturen von 100-300 K (−173–27 ° C) immer noch nicht ein wahres Alkalimetall, wegen der Bandlücke ungleich Null. Die Suche nach metallischem Wasserstoff im Labor bei niedriger Temperatur und statischer Kompression geht weiter. Studien zu Deuterium sind ebenfalls im Gange. Shahriar Badiei und Leif Holmlid von der Universität Göteborg haben 2004 gezeigt, dass kondensierte metallische Zustände aus angeregten Wasserstoffatomen (Rydberg-Materie) wirksame Promotoren für metallischen Wasserstoff sind.

Pulsed Laser heating experiment, 2008Edit

Das theoretisch vorhergesagte Maximum der Schmelzkurve (die Voraussetzung für den flüssigen metallischen Wasserstoff) wurde von Shanti Deemyad und Isaac F. Silvera mittels gepulster Lasererwärmung entdeckt. Wasserstoffreiches molekulares Silan (SiH
4) wurde von M.I. Eremets et al.. Diese Behauptung ist umstritten und ihre Ergebnisse wurden nicht wiederholt.

Beobachtung von flüssigem metallischem Wasserstoff, 2011Bearbeiten

Im Jahr 2011 berichteten Eremets und Troyan über die Beobachtung des flüssigen metallischen Zustands von Wasserstoff und Deuterium bei statischen Drücken von 260-300 GPa (2.600.000–3.000.000 atm). Diese Behauptung wurde 2012 von anderen Forschern in Frage gestellt.

Z machine, 2015Edit

Im Jahr 2015 kündigten Wissenschaftler der Z Pulsed Power Facility die Herstellung von metallischem Deuterium unter Verwendung von dichtem flüssigem Deuterium an, einem elektrischen Isolator-zu-Leiter-Übergang, der mit einer Erhöhung des optischen Reflexionsvermögens verbunden ist.

Behauptete Beobachtung von festem metallischem Wasserstoff, 2016Bearbeiten

Am 5. Oktober 2016 veröffentlichten Ranga Dias und Isaac F. Silvera von der Harvard University experimentelle Beweise dafür, dass fester metallischer Wasserstoff im Labor bei einem Druck von etwa 495 Gigapascal (4.890.000 atm) synthetisiert worden war; 71.800.000 psi) unter Verwendung einer Diamant-Ambosszelle. Dieses Manuskript war im Oktober 2016 verfügbar, und eine überarbeitete Version wurde anschließend im Januar 2017 in der Zeitschrift Science veröffentlicht.

In der Vorabversion des Papiers schreiben Dias und Silvera:

Mit zunehmendem Druck beobachten wir Veränderungen in der Probe, die von transparent über schwarz zu einem reflektierenden Metall übergehen, wobei letzteres bei einem Druck von 495 GPa untersucht wird… das Reflexionsvermögen unter Verwendung eines Drude-Freie-Elektronen-Modells zur Bestimmung der Plasmafrequenz von 30,1 eV bei T = 5,5 K, mit einer entsprechenden Elektronenträgerdichte von 6.7 × 1023 Partikel/cm3, im Einklang mit theoretischen Schätzungen. Die Eigenschaften sind die eines Metalls. Fester metallischer Wasserstoff wurde im Labor hergestellt.

– Dias & Silvera (2016)

Silvera erklärte, dass sie ihr Experiment nicht wiederholten, da weitere Tests ihre vorhandene Probe beschädigen oder zerstören könnten, versicherte der wissenschaftlichen Gemeinschaft jedoch, dass weitere Tests folgen werden. Er erklärte auch, dass der Druck schließlich gelöst werden würde, um herauszufinden, ob die Probe metastabil war (d. H., ob es auch nach dem Ablassen des Drucks in seinem metallischen Zustand bestehen bleiben würde).

Kurz nachdem die Behauptung in Science veröffentlicht wurde, veröffentlichte Nature’s News Division einen Artikel, in dem es heißt, dass einige andere Physiker das Ergebnis mit Skepsis betrachteten. Vor kurzem haben prominente Mitglieder der Hochdruckforschungsgemeinschaft die beanspruchten Ergebnisse kritisiert und die beanspruchten Drücke oder das Vorhandensein von metallischem Wasserstoff bei den beanspruchten Drücken in Frage gestellt.

Im Februar 2017 wurde berichtet, dass die Probe des beanspruchten metallischen Wasserstoffs verloren ging, nachdem die darin enthaltenen Diamantambosse gebrochen waren.

Im August 2017 gaben Silvera und Dias ein Erratum zum Science-Artikel heraus, in dem es um korrigierte Reflexionswerte aufgrund von Variationen zwischen der optischen Dichte von beanspruchten natürlichen Diamanten und den synthetischen Diamanten ging, die in ihrer Diamantambosszelle vor der Kompression verwendet wurden.

Im Juni 2019 behauptete ein Team des Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (französische Alternative Energien & Atomenergiekommission), mit einer Diamantambosszelle mit Ringprofil, die mit Elektronenstrahlbearbeitung hergestellt wurde, metallischen Wasserstoff bei etwa 425 Gpa erzeugt zu haben

Experimente an flüssigem Deuterium in der National Ignition Facility, 2018bearbeiten

Im August 2018 kündigten Wissenschaftler neue Beobachtungen zur schnellen Umwandlung von flüssigem Deuterium von einer isolierenden in eine metallische Form unter 2000 K an. Bemerkenswerte Übereinstimmung wird zwischen den experimentellen Daten und den Vorhersagen gefunden, die auf Quanten-Monte-Carlo-Simulationen basieren, von denen erwartet wird, dass sie die bisher genaueste Methode sind. Dies könnte Forschern helfen, riesige Gasplaneten wie Jupiter, Saturn und verwandte Exoplaneten besser zu verstehen, da angenommen wird, dass solche Planeten viel flüssigen metallischen Wasserstoff enthalten, der für ihre beobachteten starken Magnetfelder verantwortlich sein könnte.