Ученые МФТИ и ОИВТ РАН создали модель кинетики образования металлического водорода во флюидном состоянии. Работа опубликована в журнале ChemPhysChem.
Водород — самый распространенный элемент во Вселенной. В обычных условиях он представляет собой газ. Если его сжать давлениями в тысячи атмосфер, то можно получить сначала жидкость, а потом и твердое тело, которому, вероятно, будут присущи уникальные свойства сверхпроводимости. Несмотря на это, поведение водорода при высоких давлениях до сих пор остается слабо изученным. Хорошо известны экспериментальные модели, которые используются, например, в астрофизике для объяснения строения ядра Юпитера: жидкий водород внутри планет-гигантов при достаточно высоких давлениях становится металлическим, что влияет на их магнитные поля. При этом теоретической модели перехода водорода в это состояние до сих пор нет, и глубина металлического слоя в планетах-гигантах остается загадкой. Лаборатории во многих странах изучают процесс перехода водорода в плазму/металл. Однако различные экспериментальные и теоретические методы не дали согласованных результатов. Попытка объяснить этот переход стала своего рода испытательной площадкой для новых методов теоретической и вычислительной физики. Ученые МФТИ решили посмотреть на загадочный процесс с самого зарождения плазменно/металлической фазы: разработали модель появления первого плазмоподобного кластера, ведущего к образованию плазмы в плотном флюиде водорода и построили многоступенчатый механизм перехода, что позволяет согласовать существующие сегодня противоречия в результатах экспериментальных исследований.
Возможность создания в лабораторных условиях металлического водорода занимает умы ученых уже не одно десятилетие. Предполагается, что он может обладать сверхспособностями, например высокотемпературной сверхпроводимостью, и его применение способно вывести на другой качественный уровень разработки в электротехнике, энергетике и ракетостроении.
Начиная с 1990-х годов загадочный переход плотного флюида водорода в металл/плазму интенсивно исследуется в экспериментах. Для этого экспериментаторы используют очень большие установки: взрывные эксперименты проводятся в Сарове, лазерные эксперименты со сверхмощными лазерами и ультракороткими импульсами тока — в США: в Ливерморской лаборатории — на National Ignition Facility, а в Сандийских лабораториях — на Z-машине. В то же время интересные результаты удается получать и на «настольных» установках с алмазными наковальнями, как это делает группа профессора Исаака Сильверы из Гарварда. Однако по-прежнему различные эксперименты дают совершенно разные пороговые параметры для перехода плотного флюида водорода в плазменное (металлическое) состояние.
Отметим, что отличия между металлической жидкостью и плазмой достаточно условны: плазма — это более горячее состояние, жидкий металл — более холодное, и в обоих состояниях есть свободные электроны, которые проводят электрический ток. Еще в 30-х годах XX века великий физик-теоретик Юджин Вигнер предсказал, что при низких температурах в водороде присутствует область, в которой он становится твердым и превращается в металл, и сейчас эту фазу с большим интересом изучают во всем мире. Таким образом, ученые продвинулись в нескольких направлениях, но ни в одном не пришли пока к однозначному результату.
Установки для нагрева сжатого в алмазной наковальне образца водорода (из обзора Silvera & Dias // Advances in Physics — 2021)
Установка для ударного сжатия дейтерия ( из работы Knudson M. D. et al. // Science — 2015)
«К 2017 году, когда мы начали заниматься этой проблемой, обсуждались две основные модели перехода плотного флюида водорода в плазму. Первая заключалась в том, что молекулярный водород распадается и образует плазму. Однако в этом случае многое не было понятно, например появляется в процессе атомарный водород или нет. Вторая гипотеза заключалась в том, что водород при нагреве/сжатии постепенно переходит из полупроводникового состояния в металлическое при постепенном уменьшении ширины запрещенной зоны. При этом ни одна, ни другая гипотеза не могли объяснить такого большого разброса температур и давлений перехода и всего множества наблюдаемых в экспериментах эффектов. Третьим подходом, развиваемым в нашем коллективе, была модель метастабильных состояний при плазменном фазовом переходе. Однако в нашей работе мы решили пойти еще дальше и вообще отказаться от концепции термодинамического равновесия», — рассказывает Илья Федоров, один из авторов исследования, научный сотрудник ОИВТ РАН и лаборатории суперкомпьютерных методов в физике конденсированного состояния МФТИ.
Поскольку к 2017 году накопилось уже достаточно много расчетов и экспериментов, которые так и не дали единой картины перехода, было очевидно, что необходим новый взгляд на проблему, новый метод, способный учесть новую физику и новые эффекты. Ученые МФТИ решили использовать метод волновых пакетов в формулировке electron force field (eFF). Поясним, в чем его суть. Исследования перехода ведутся не для твердого молекулярного водорода, а для флюида, плотной молекулярной жидкости, преобразующейся в плазму, где есть свободные электроны. Представление электрона в виде волнового пакета позволяет сохранить в модели эффекты связи электронной и ионной подсистем. Расчеты показали, что именно возбужденная электронная подсистема является «спусковым крючком», триггером перехода молекулярного флюида водорода в плазму. Дальше этот полученный в модели eFF эффект нужно было проверить более точными квантово-механическими методами расчетов.
«Почему мы отнеслись к этому новому эффекту серьезно, ведь раньше такой эффект не был описан в литературе? Дело в том, что наиболее популярным методом квантовых расчетов в физике конденсированного состояния является теория функционала плотности в ее конечно температурной формулировке. Эта теория хорошо себя показала во множестве областей и позволяет рассматривать материалы при различных плотностях и температурах. Однако водород, несмотря на свою максимальную простоту, при больших давлениях уже совершенно не так прост. При больших плотностях расстояние между молекулами становятся того же порядка, что и расстояние между атомами внутри молекул. В результате вся система становится чем-то средним между обычной жидкостью и одной большой молекулой со множеством протонов и электронов. В таких условиях предположение о независимости динамики электронов и динамики ядер (то есть адиабатическое приближение) может быть неверным. А именно, это приближение лежит в основе конечно температурной формулировки теории функционала плотности», — подчеркивает Владимир Стегайлов, заведующий отделом ОИВТ РАН и лабораторией суперкомпьютерных методов в физике конденсированного состояния МФТИ.
Поверхности электронной плотности однократно заполненных верхних электронных орбиталей, образующих экситон, и центры Ваннье этих орбиталей (из статьи в журнале Письма в ЖЭТФ)
«Поставив цель изучить обнаруженный эффект подробнее, мы сделали расчеты квантовой молекулярной динамики в первом возбужденном синглетном состоянии. И обнаружили эффект диссоциации экситонов в молекулярной фазе», — рассказывает Илья Федоров.
Диссоциация экситонов — это фундаментальный микроскопический процесс эволюции электронных возбуждений в материалах. Экситон — это связанное состояние электрона и дырки. Обычно экситоны образуются в твердых телах или в двумерных материалах под действием лазерного облучения. Авторам работы удалось показать, что в плотном флюиде молекулярного водорода экситоны образуются спонтанно, а их диссоциация является механизмом, объясняющим эксперименты по переходу молекулярного флюида в плазму. На основе этой концепции авторами был сформулирован многоступенчатый механизм перехода.
«Вначале мы имеем флюид молекулярного водорода, в котором по мере нагрева все чаще и чаще электроны спонтанно возбуждаются в результате вибронного переноса энергии от ядер к электронам (то есть возникают экситоны — электрон-дырочная пары), но затем эти возбуждения переходят обратно в основное состояние (I), потом в определенный момент экситон успевает диссоциировать до момента обратной рекомбинации (II) и уже не может перейти обратно. Этот процесс отнимает кинетическую энергию у протонов (в экспериментах при этом наблюдается плато температуры при постепенном увеличении энерговклада, красные точки на фазовой диаграмме). Таким образом, у нас появляется “зародыш плазмы” в виде связанного кластера двух электронов и двух протонов, поскольку таких процессов в флюиде водорода в экспериментальных условиях происходит множество, то начинает расти плазмоподобная фаза в виде отдельных изолированных кластеров, которые сначала начинают поглощать свет (зеленые точки на фазовой диаграмме), а затем (III), когда размеры кластеров становятся соизмеримы с длиной волны пробного лазерного импульса, начинают отражать (синие точки на фазовой диаграмме). В итоге весь флюид переходит в плазму (IV), когда в экспериментах наблюдают рост электрической проводимости (фиолетовые точки на фазовой диаграмме)», — объясняет Илья Федоров.
Схема механизма перехода молекулярного плотного нагретого водорода в плазму. Источник: ChemPhysChem
На фазовой диаграмме показаны различные экспериментальные точки перехода, полученные начиная с 1996 года, при этом, как уже упоминалось, выше разным цветом отражены разные по типу экспериментальные наблюдения. Параметры обнаруженной учеными МФТИ диссоциации одиночного экситона показаны черной кривой, которая хорошо согласуется с наблюдаемым переходом в алмазных наковальнях (красные точки).
Упрощенная фазовая диаграмма с различными экспериментальными точками и полученной кривой диссоциации экситона (черная пунктирная линия). Источник: ChemPhysChem
Таким образом, различные фазы построенного механизма способны объяснить разные эффекты, наблюдаемые в экспериментах. А неадиабатическая динамика электронов, лежащая в основе механизма и не учтенная в других теоретических работах, позволяет объяснить экспериментальные разногласия различной кинетикой процесса возникновения плазменноподобных кластеров.
«Мы впервые использовали квантово-механический метод расчета для описания возникновения плазменноподобных кластеров в микрообъеме плотного флюида молекулярного водорода, что позволило нам построить модель, которая описывает физический механизм данного перехода. Таким образом, мы получили возможность по-новому посмотреть на всю совокупность проводимых экспериментов и сформулировали новую качественную картину явления, гармонизирующую существенные противоречия в экспериментальных результатах. Новая модель показала, что из-за разной скорости и разных условий в итоге выходят разные параметры перехода, детектируемые экспериментально. В определенном смысле мы получили индульгенцию, позволившую нам отказаться от равновесной термодинамической трактовки экспериментальных данных. Все проводимые эксперименты верны, но для их интерпретации необходимо взглянуть на явление под другим углом. Эксперименты дают нам количественные цифры давления и температуры, при которых должен происходить переход. Но благодаря предложенной модели в перспективе можно будет описать сжатие водорода в конкретных условиях и в конкретных экспериментах и предсказать, в какие моменты времени он сможет начать проводить электрический ток. Возможно, подобные модели можно будет использовать и в физике твердого тела и двухмерных структур, например для прояснения принципов работы элементов неорганических и органических солнечных батарей», — подводит итог Владимир Стегайлов.
