دانشمندان فرانسوی مدعی ساخت هیدروژن فلزی شدند

مدت زمان زیادی است که دانشمندان حدس می‌زنند در قلب یک غول گازی، قوانین فیزیک مواد دچار تغییرات بنیادینی می‌شود. در این نوع از محیط‌های به‌شدت تحت فشار، گاز هیدروژن به‌حدی متراکم می‌شود که واقعا تبدیل به یک فلز می‌شود. دانشمندان برای سال‌های زیادی به‌دنبال راهی برای ایجاد هیدروژن فلزی مصنوعی بوده‌اند؛ زیرا چنین عنصری می‌تواند کاربردهای بی‌شماری داشته باشد.

در زمان حاضر، تنها روش شناخته‌شده برای انجام این کار، فشرده‌سازی هیدروژن با استفاده از یک سندان الماسی است که بتواند حالت آن را تغییر دهد. پس از چند دهه تلاش (و پس از گذشت ۸۰ سال از زمان طرح این تئوری)، گروهی از پژوهشگران فرانسوی می‌گویند توانسته‌اند در محیط آزمایشی، هیدروژن فلزی ایجاد کنند. درحالی‌که شک و تردیدهای زیادی دراین زمینه وجود دارد، دانشمندان زیادی بر این باورند که چنین چیزی می‌تواند حقیقت داشته باشد.

همان‌طور که پژوهشگران در مطالعه‌ی خود نشان می‌دهند، به‌خاطر قوانین محدودیت کوانتومی، وجود هیدروژن فلزی انکارناپذیر است. اگر الکترون‌های هر ماده‌ای به‌اندازه‌ی کافی ازنظر حرکت محدود شوند، درنهایت پدیده‌ای رخ می‌دهد که با عنوان «بسته شدن شکاف پیوند» شناخته می‌شود. به‌طور خلاصه می‌توان گفت که هر ماده‌ی عایقی (مانند اکسیژن) اگر تحت فشار کافی قرار گیرد، باید بتواند تبدیل به یک فلز رسانا شود.

پژوهشگران مطالعه‌ی جدید می‌گویند دو پیشرفت موجب موفقیت آزمایش‌های آن‌ها شد. نخست طراحی خاص سندان الماسی بود که از آن استفاده کردند. در این ساختار نوک الماس به شکل چنبره‌ای بود که حفره‌ای درمیان آن قرار داشت (مانند یک دونات)؛ درحالی‌که طرح‌های قبلی حالت مسطح داشتند. این ساختار به پژوهشگران امکان داد که بتوانند فشار را به ۶۰۰ گیگاپاسکال برسانند. دومین مورد، استفاده از نوع جدیدی از طیف‌سنج مادون قرمز بود که خود پژوهشگران آن را برای اندازه‌گیری نمونه طراحی کردند. طبق گزارش پژوهشگران، هنگامی که نمونه‌ی آن‌ها به فشار ۴۲۵ گیگاپاسکال و دمای ۱۹۳- سانتیگراد رسید، نمونه آغاز به جذب تمام تابش‌های مادون قرمز کرد و این نشان می‌داد که شکاف پیوند بسته شده است.

تصور می‌شود که سیاره‌ی مشتری در اطراف هسته‌ی خود هیدروژن فلزی داشته باشد

از آنجایی که ادعاهای گذشته درمورد ایجاد هیدروژن فلزی نادرست و بی‌نتیجه بوده‌اند، نتایج مطالعه‌ی جدید نیز با انتقادات و شک و تردیدهایی همراه بوده است. علاوه‌بر این، مطالعه‌ی یادشده هنوز تحت داوری قرار نگرفته است. بااین‌حال گروه فرانسوی و آزمایش‌ها آن‌ها متحدان قدرتمندی دارد. یکی از این افراد، مادوری سامازولو، استاد پژوهشی آزمایشگاه ملی آرگون است که در این مطالعه مشارکتی نداشته است. او می‌گوید:

من فکر می‌کنم این کشف، ارزش جایزه‌ی نوبل را دارد. چنین مطالعه‌هایی همیشه وجود داشته است؛ اما مورد اخیر احتمالا یکی از شفاف‌ترین و جامع‌ترین کارهای انجام‌شده روی هیدروژن خالص محسوب می‌شود.

همچنین سامازولو بیان کرد که او، پائول دوماس، نویسنده‌ی اصلی این پژوهش را به‌خوبی می‌شناسد و دوماس دانشمندی بسیار دقیق و منظم است. یکی دیگر از فیزیکدانانی که با نگاهی مثبت درمورد آزمایش‌های جدید سخن گفته، الکساندر گونچاروف است که در مؤسسه‌ی کارنگی کار می‌کند. در سال ۲۰۱۷، وقتی گروهی از دانشمندان آزمایشگاه فیزیک لیمان دانشگاه هاروارد مدعی ساخت هیدروژن فلزی با فرایندی مشابه شدند، گونچاروف تردید خود را نسبت به این مسئله ابراز داشت. اما او در مورد مطالعه‌ی اخیر گفت:

من فکر می‌کنم که مقاله حاوی شواهد خوبی درمورد بسته شدن شکاف باند در هیدروژن باشد. برخی از تفاسیر، غلط هستند و برخی از داده‌ها می‌توانند بهتر باشند اما من به‌طور کلی اعتبار آن را باور دارم.

بالا: تصاویر میکروسکوپی از مراحل آزمایش سال ۲۰۱۷ دیاس و سیلورا. پایین: تصاویر مرحله‌ای مطالعه‌ی دوماس و همکاران، تصویر میانی نشان‌دهنده‌ی تشکیل هیدروژن فلزی است

هیدروژن فلزی به‌عنوان یک فلز مصنوعی، کابردهای بی‌شماری خواهد داشت. دانشمندان بر این باورند که این فلز دارای ویژگی‌های ابرسانایی در دمای اتاق بوده و شبه‌پایدار است (یعنی حتی وقتی فشار به حالت طبیعی برگردانده شود، ثبات آن حفظ می‌شود). این ویژگی‌ها آن را در زمینه‌ی انقلابی که در الکترونیک در حال وقوع است، بی‌نهایت سودمند خواهد کرد. همچین این مزیتی برای دانشمندانی خواهد بود که در پژوهش‌های انرژی بالا و فیزیک به مطالعه مشغول هستند.

علاوه‌بر تمام موارد یادشده، این موفقیت به دانشمندان اخترفیزیک کمک می‌کند که بتوانند برای اولین‌بار بدون نیاز به ارسال کاوشگر به سیاره‌های دیگر، شرایط موجود درون سیاره‌های غول‌پیکر را مورد مطالعه قرار دهند. در این رابطه، هیدروژن فلزی شبیه همجوشی سرد است. به‌علت مزایای زیاد، طبیعی است هر فردی که ادعا کند به این فلز دست یافته است، با سوالات سختی رو‌به‌رو شود.