Rốt cuộc hydrogen kim loại đã được tạo ra hay chưa?

Rất nhiều nhà vật lí trong các năm qua khẳng định rằng họ có thể biến hydrogen thành kim loại bằng cách nén nó cực mạnh, thế nhưng cho đến nay chưa có ai từng thuyết phục được các đối thủ hoài nghi. Nay các nhà nghiên cứu ở Pháp cho rằng cuối cùng họ đã tìm thấy bằng chứng thuyết phục cho sự biến đổi đó, họ vừa chế tạo các dụng cụ mới để điều áp và quan sát thấy các mẫu hydrogen tí hon. Song những người khác trong lĩnh vực vẫn còn nghi ngờ và cãi rằng dữ liệu hồng ngoại mà đội người Pháp báo cáo tự nó chưa phải là bằng chứng minh bạch – và rằng cái cần thiết là các phép đo về sự dẫn điện.

Các chuyên gia ít ai nghi ngờ rằng hydrogen sẽ trở thành kim loại khi chịu áp suất rất cao. Lí thuyết cho chúng ta biết rằng áp suất giải phóng electron ra khỏi sự giam cầm của từng nguyên tử hay phân tử, cho phép chúng chuyển động tự do trong vật liệu. Thật vậy, người ta đã quan sát thấy nhiều chất cách điện diễn ra sự chuyển tiếp như thế - chẳng hạn, hồi 20 năm trước người ta đã chứng minh rằng oxygen phân tử sẽ biến thành kim loại ở áp suất khoảng một triệu lần áp suất khí quyển (khoảng 100 GPa). “Không bàn cãi chi nữa, kim loại hydrogen phải tồn tại thôi,” Paul Loubeyre, Florent Occelli và Paul Dumas thuộc cơ quan năng lượng Pháp CEA viết trong một bài báo mới tải lên arXiv.

Hydrogen kim loại có thể có nhiều tính chất cuốn hút, trong đó có việc trở thành chất siêu dẫn ở nhiệt độ phòng. Nghiên cứu hành trạng của nó cũng có thể đưa đến những hiểu biết sâu sắc mới về các điều kiện bên trong Mộc tinh và các hành tinh khí khổng lồ khác, biết rằng chúng rất dồi dào hydrogen.

Synchrotron SOLEIL ở Paris

Synchrotron SOLEIL ở Paris

Cực kì khó khăn và gây tranh cãi

Thế nhưng việc tạo ra hydrogen kim loại tỏ ra cực kì khó khăn và gây tranh cãi. Kể từ khi nó được dự đoán vào năm 1935, các nhà nghiên cứu đã cố gắng tạo ra nó trong phòng thí nghiệm bằng cách nén những mẫu nhỏ khí hydrogen giữa đầu nhọn của hai viên kim cương. Những cái đe tí hon này có thể phân phối áp suất hàng trăm gigapascal, nhưng kết quả thường vẫn là mơ hồ. Vào năm 2016, hai nhà nghiên cứu tại Đại học Harvard ở Mĩ báo cáo tạo ra được hydrogen kim loại ở 500 GPa. Tuy nhiên, những người khác đặt vấn đề liệu đội nghiên cứu có thể thu được áp suất cao như thế hay không.

Loubeyre cùng các cộng sự chẳng phải người mới trong nghiên cứu này. Hồi năm 2002 họ đã sử dụng ánh sáng nhìn thấy để quan sát các biến đổi trong một mẫu hydrogen mà họ nén tới 320 GPa. Khi họ tăng thêm áp suất, họ thấy dải năng lượng điện tử của hydrogen rắn giảm tương ứng. Bằng cách ngoại suy đoạn đồ thị cho áp suất cao hơn họ phỏng đoán rằng nó sẽ đạt tới zero vào cỡ 450 GPa. Tại đây hydrogen sẽ trở thành kim loại vì các electron của nó sẽ tự do đi vào dải dẫn.

Để đạt tới áp suất này, đội nghiên cứu đã phát triển một tế bào đe “phỏng xuyến” trong đó các mẫu được nén giữa hai bề mặt phẳng nhỏ xíu được bao quanh bởi những vết lõm hình xuyến. Theo họ, cách này có thể tạo ra áp suất lên tới ít nhất 600 GPa. Họ còn thiết kế và chế tạo một kính hiển vi hồng ngoại có thể gắn cùng một bộ điều nhiệt lạnh bên trong bức xạ cường độ mạnh từ một nguồn synchrotron.

Đội nghiên cứu bố trí cái đe phỏng xuyến của họ, chứa hydrogen ở 80 K, và kính hiển vi vào một đường dẫn chùm tia tại synchrotron SOLEIL ở ngoại ô Paris. Ở áp suất khoảng 425 GPa, họ quan sát thấy ánh sáng hồng ngoại đi qua mẫu hầu như hoàn toàn bị hấp thu. Theo họ, đây là bằng chứng rằng dải năng lượng bị đóng lại. “Chúng tôi chỉ ra một chuyển tiếp pha bậc nhất ở gần 425 GPa từ hydrogen rắn phân tử cách điện sang thành hydrogen kim loại,” họ viết trong bài báo của mình.

Các nhà nghiên cứu khác hoan nghênh công trình mới nhất này nhưng một số người chưa bị thuyết phục hoàn toàn. “Tôi nghĩ bài báo ấy chứa đựng bằng chứng tốt cho sự khép kín dải năng lượng ở hydrogen,” phát biểu của Alexandre Goncharov tại Viện Khoa học Carnegie ở Washington. “Một số lí giải có thể chưa đúng, và một số dữ liệu có thể tốt hơn, nhưng nói chung tôi tin rằng công trình này có giá trị.” Tuy nhiên, ông cho rằng bằng chứng trên chưa chặt chẽ, rằng với một dải năng lượng hẹp nhưng khác zero thì hydrogen có thể trở thành một chất bán dẫn có dải năng lượng rất hẹp chứ chưa hẳn là kim loại.

Mikhail Eremets tại Viện Hóa học Max Planck ở Mainz, Đức, tán thành và cho rằng sự thu hẹp dải năng lượng chưa cấu thành “bằng chứng trực tiếp của sự kim loại hóa”. Theo ông, cái thật sự cần thiết là một số đo về sự dẫn điện của hydrogen. Ông cho biết thêm rằng ông cùng các cộng sự đã thực hiện một phép đo như thế hồi hai năm trước, họ chỉ ra được rằng hydrogen bắt đầu dẫn điện (giống như một “á kim”) ở khoảng 360 GPa và độ dẫn điện tăng mạnh theo áp suất. Họ còn đo quang phổ Raman để xác định xem hydrogen có ở trạng thái phân tử không. “Dữ liệu của chúng tôi có thể bổ sung cho dữ liệu hồng ngoại của nhóm Loubeyre,” ông nói, “nhưng [họ] đã hoàn toàn phớt lờ công trình này.”

Nghiên cứu được mô tả trong một bài báo đăng trên arXiv.

Nguồn: physicsworld.com

Vui lòng ghi rõ "Nguồn Thuvienvatly.com" khi đăng lại bài từ CTV của chúng tôi.

Nếu thấy thích, hãy Đăng kí để nhận bài viết mới qua email
Tin tức vật lý
Extension Thuvienvatly.com cho Chrome

Thêm ý kiến của bạn

Security code
Refresh

Các bài khác


Khi dòng điện tác dụng lên nam châm
08/06/2022
Khả năng khai thác lượng điện năng có vẻ vô tận là một trong những nền tảng của thế giới hiện đại. Công nghệ ấy
Nhận thức lịch sử về nam châm
28/05/2022
Vào năm 1600, một bác sĩ người Anh cho biết ngoài trọng lực, Trái Đất còn tác dụng những lực khác khi ông chỉ ra rằng hành
Photon là gì?
25/07/2021
Là hạt sơ cấp của ánh sáng, photon vừa bình dị vừa mang đầy những bất ngờ. Cái các nhà vật lí gọi là photon, thì những
Lược sử âm thanh
28/02/2021
Sóng âm: 13,7 tỉ năm trước Âm thanh có nguồn gốc từ rất xa xưa, chẳng bao lâu sau Vụ Nổ Lớn tĩnh lặng đến chán ngắt.
Đồng hồ nước Ktesibios
03/01/2021
Khoảng năm 250 tCN. “Đồng hồ nước Ktesibios quan trọng vì nó đã làm thay đổi mãi mãi sự hiểu biết của chúng ta về một
Tic-tac-toe
05/12/2020
Khoảng 1300 tCN   Các nhà khảo cổ có thể truy nguyên nguồn gốc của “trò chơi ba điểm một hàng” đến khoảng năm 1300
Sao neutron to bao nhiêu?
18/09/2020
Các nhà thiên văn vật lí đang kết hợp nhiều phương pháp để làm hé lộ các bí mật của một số vật thể lạ lùng nhất
Giải chi tiết mã đề 219 môn Vật Lý đề thi TN THPT 2020 (đợt 2)
04/09/2020

Chúng tôi hiện có hơn 60 nghìn tài liệu để bạn tìm

Đọc nhiều trong tháng

360 độ

Vật lý 360 độ là trang tin nhanh, trao đổi chuyên đề vật lý và các khoa học khác cũng như các nội dung liên quan đến dạy và học.
Hi vọng các bạn giúp chúng tôi bằng cách đăng kí làm CTV.
Liên hệ: banquantri@thuvienvatly.com