TiaSang
Thứ 3, Ngày 22 tháng 10 năm 2019
Đổi mới sáng tạo

Phân tử hydro trở thành bán kim loại tại áp suất trên 350 GPa

08/10/2019 07:30 -

Theo các dự đoán trong vật lý các chất đậm đặc, tại một áp suất đủ cao, hydro có thể bị phân ly và chuyển thành một kim loại nguyên tử. Dẫu sao phạm vi áp suất chính xác mà tại đó hiện tượng này xảy ra vẫn chưa được xác định một cách chắc chắn và quá trình mà hydro trở thành một kim loại vẫn còn nhiều điểm chưa rõ ràng.

Trong một nghiên cứu gần đây, các nhà nghiên cứu tại Viện Hóa học Max Planck đã trình diễn một nghiên cứu trong áp suất 350-360 GPa và nhiệt độ dưới 200K, phân tử hydro bắt đầu được dẫn dắt để trở thành bán kim loại. Nghiên cứu của họ “Phân tử bán kim loại tại áp suất trên 350GPa” (Semimetallic molecular hydrogen at pressure above 350 Gpa) đã được xuất bản trên Nature Physics, đã đem đến một cái nhìn mới mẻ và thú vị về chuyển pha tại áp suất cao và tiết lộ một số đặc tính mà hydro đã đạt được.

“Một cách điển hình, hydro kim loại được coi là hydro nguyên tử - một tinh thể được tạo thành từ các proton sau khi các phân tử phân tách”, Mikhail Eremets, một trong số các nhà nghiên cứu thực hiện nghiên cứu này, nói với Phys.org. “Dẫu sao, hydro có thể chuyển thành một kim loại ở trạng tái phân tử - trong trường hợp này, các liên kết điện tử của tinh thể hydro ở dạng phân tử được mở rộng và cuối cùng thì  chồng lấp lên nhau, vì vậy khoảng cách giữa các liên kết trở nên gần hơn, các điện tích tự do và các lỗ trống xuất hiện – đây là trạng thái kim loại”.

Trạng thái ban đầu mà tại đó, sự chồng lấp của các liên kết điện tử trong tinh thể hydro ở dạng phân tử vẫn được biết đến là bán kim loại. Trong trạng thái này, kim loại được tạo ra rất yếu về truyền dẫn, vì số lượng các hạt nó truyền qua ở mức vô cùng thấp. Nếu áp suất được tăng lên thì thứ kim loại có tính dẫn điện kém này sẽ trở thành kim loại thông thường và cuối cùng trở thành một hydro hạt nhân.

“Vấn đề của chúng tôi là tìm ra áp suất mà tại đó tính dẫn điện của kim loại xuất hiện, và liệu kết quả này có thể đạt được trong một kim loại hạt nhân hayy một phân tử không”, Eremets nói. “Theo cách đó, chúng tôi đã thực hiện các phép đo điện tích vì đó là phương pháp duy nhất có thể nói với chúng tôi một cách trực tiếp là liệu hydro có dẫn điện và liệu có là một kim loại không. Một kim loại điển hình có thể dẫn điện ở mức nhiệt độ thấp nhất; một chất bán dẫn cũng có thể dẫn điện nhưng tại các nhiệt độ cao hơn (nhiệt độ phòng), tính dẫn điện suy giảm và biến mất theo hàm mũ”.

Trong các thí nghiệm cả mình, các nhà nghiên cứu đã tập hợp các phép đo Raman lên tới mức 480 Gpa để nhận diện được những thay đổi diễn ra tại trong hydro ở những áp suất khác nhau. Họ thấy hydro bắt đầu dẫn điện tại mức áp suất trên 360 GPa, nhưng vẫn còn tính chất của một bán kim loại ở mức 440 GPa.

Để thu thập các đo đạc Raman, các nhà nghiên cứu đã sử dụng DACs nhỏ với kim cương tổng hợp. Loại kim cương này có khả năng phát sáng rất thấp thậm chí tại mức áp suất xấp xỉ 500 GPa. Bởi đo đạc điện tử theo cách khác, họ sử dụng bốn chân cắm điện tử cắm lên các đầu đo kim cương, vốn cô lập khỏi dây kim loại bằng một lớp cách điện.

Nhìn chung, các đo đạc mà họ thu thập được chứng tỏ rằng hydro bán kim loại được quan sát trong thực nghiệm của họ là ở trạng thái phân tử. Do đó, những phát hiện này đã xác nhận giả thuyết của họ là hydro trở thành một kim loại trong trạng thái phân tử của nó.

Mikhail Eremets của Viện nghiên cứu Hóa học Max Planck. 

“Kể từ mức áp suất 360 GPa, tính dẫn điện được gia tăng một cách đáng kể theo áp suất”, Eremets giải thích. “Tính dẫn điện không suy giảm theo hàm mũ với việc làm lạnh, chỉ dấu cho thấy hydro không phải là bán dẫn. Nói theo cách khác, nó chưa phải là một kim loại tốt, vì tính dẫn điện tăng lên ở mứ không đáng kể với việc làm lạnh. Trạng thái đặc trưng cho bán kim loại như bismuth hoặc bán kim loại cảm ứng áp suất như oxy hay xenon”.

Về tổng thể, các đo đạc do Eremets và đồng nghiệp thu thập được đã cung cấp bàng chứng cho thấy hydro bán kim loại vẫn còn giữ trong trạng thái phân tử ít nhất đến mức áp suất 440 GPa. Khi áp suất vượt quá mức này thì tín hiệu Raman do hydro phát xạ biến mất, cho thấy một chuyển pha đã diễn ra.

“Đạt được mức áp suất trên 350 GPa là một nhiệm vụ khó khăn”, Eremets nói. “Nó phụ thuộc vào một số nhân tố, đầu tiên là tính chất hình học của đầu đo. Chúng tôi đã có nhiều nỗ lực để đạt được áp suất đa mức. Dẫu vậy chúng tôi đã có được dữ liệu có thể tái sử dụng trong những lần thực nghiệm khác”.

Nghiên cứu này của Eremets và đồng nghiệp đã cho thấy ở mức trên ~360 GPa, hydro chuyển sang trạng thái phân tử. Dẫu sao, chất liệu bán dẫn mới chỉ ở một số trạng thái khác thường, vốn không có nhiều điểm tương đồng với các dự đoán lý thuyết của hydro kim loại tạo thành ở trạng thái nguyên tử. Trái lại, các nhà nghiên cứu quan sát thấy hydro chuyển thành một vật chất bán kim loại trong trạng thái phân tử của nó.

“Phát hiện của chúng tôi có thể khuyến khích các công trình nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm tiếp theo để có được hiểu biết về sự biến đổi phức tạp của hydro thành kim loại”, Eremets nói. “Chúng tôi đang lên kế hoạch mở rộng các đo đạc điện tử của mình ở những mức áp suất cao hơn và tìm ra tính siêu dẫn trong hydro kim loại”. 

Thanh Phương dịch

Nguồnhttps://phys.org/news/2019-10-molecular-hydrogen-semimetallic-pressures-gpa.html