Физики из МФТИ, Объединенного института высоких температур РАН и Италии рассмотрели разогретый плотный водород с квантовой точки зрения. Они изучили, как квантовые эффекты ядер влияют на переход водорода от молекулярной жидкости к проводящему состоянию. Результаты позволяют уточнить поведение вещества в экстремальных условиях. Статья опубликована в журнале Scientific Reports.
Разогретый плотный водород — это область фазовой диаграммы водорода, в которой он может находиться в разных состояниях: молекулярной жидкости, твердого тела или плазмы — в зависимости от внешних условий. Эти состояния достигаются при высоких давлениях (сотни гигапаскалей) и температурах (сотни и тысячи градусов). В похожих условиях водород существует в ядрах планет-гигантов. До сих пор ученые точно не определили природу перехода из молекулярной жидкости в проводящую, сопровождающегося распадом молекул. Теоретические модели часто говорят о том, что это переход первого рода, в то время как эксперименты не дают однозначного ответа.
«Наша основная мотивация — лучше понять природу перехода флюида водорода из молекулярной фазы в проводящее немолекулярное состояние при высоких давлениях и сравнительно низких температурах. Эта область фазовой диаграммы до сих пор остается спорной: разные эксперименты и расчеты дают не полностью согласующуюся картину. Особенно интересен вопрос, является ли переход фазовым переходом первого рода»,— рассказал Вячеслав Лукьянчук, младший научный сотрудник Центра вычислительной физики МФТИ, аспирант второго года кафедры вычислительной физики конденсированного состояния и живых систем ЛФИ.
Чтобы решить эту проблему, физики учли влияние квантовых эффектов ядер водорода. В компьютерном моделировании они рассматривали протоны не как классические частицы, а как квантовые объекты. В этом случае большую роль начинает играть «пространственная размазанность» протона — эффект, влияющий на устойчивость молекул, давление перехода и структуру жидкости.
Одним из главных результатов исследования стало то, что авторы получили не только метастабильную молекулярную ветвь, но и метастабильную проводящую немолекулярную ветвь. Метастабильная молекулярная ветвь — это часть изотермы, где водород еще сохраняет молекулярную структуру Н2, хотя при заданных давлении и температуре такое состояние энергетически уже неустойчиво. Это особенно интересно, потому что в более ранних расчетах с классическими ядрами проводящая метастабильная ветвь не наблюдалась.
Кроме того, результаты моделирования показали, что влияние квантовых эффектов ядер можно рассматривать как эффективный температурный сдвиг примерно на 300 K. То есть система с делокализованными протонами при 700 K ведет себя примерно похоже на систему с классическими протонами при 1000 K.
«Наличие двух метастабильных ветвей само по себе не является абсолютно строгим математическим доказательством фазового перехода первого рода, особенно в численном моделировании систем конечного размера. Однако это очень сильный физический аргумент в пользу такого перехода.
В нашей работе картина складывается именно из совокупности признаков: плато или слабый скачок на изотермах, резкое изменение структуры, рост электропроводности, наличие скрытой теплоты и две метастабильные ветви. Поэтому мы рассматриваем эти результаты как весомое подтверждение перехода первого рода, но аккуратно подчеркиваем, что положение фазовой границы и количественные параметры зависят от выбранного метода моделирования»,— пояснил Николай Кондратюк, исполнительный директор Центра вычислительной физики МФТИ.
Исследование раскрывает природу поведения одного из самых простых элементов — водорода — в экстремальных условиях. Самый важный момент, который отмечают ученые, заключается в том, что при описании этого вещества нельзя игнорировать квантовые эффекты ядер. Полученные результаты позволят улучшить модели внутреннего строения планет-гигантов, таких как Юпитер, а также усовершенствовать модели вещества в экстремальных условиях.
«Дальше мы хотим уточнить количественное положение фазовой границы в рамках машинно-обученного потенциала. Также нам интересно глубже изучить динамику распада метастабильных состояний: как именно молекулярный водород переходит в проводящее состояние, какие кластеры или промежуточные структуры возникают, как меняется проводимость во времени»,— поделился Вячеслав Лукьянчук.
Научная статья: Lukyanchuk V. I., Norman G. E., Kondratyuk N. D. et al.; Influence of nuclear quantum effects on metastable states of warm dense hydrogen; Sci Rep (2026);
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-48839-y
