Metallic hydrogen

Though generally placed atop the alkali metal column in the periodic table, hydrogen does not, under ordinary conditions, exhibit the properties of an alkali metal. Instead, it forms diatomicH₂ molecules, similar to halogens and some nonmetals in the second period of the periodic table, such as nitrogen and oxygen. Diatomic hydrogen is a gas that, at atmospheric pressure, liquefies and solidifies only at very low temperature (20 K and 14 K respectively).

في عام 1935، تنبأ الفيزيائيان يوجين ويغنر وهيلارد بيل هنتنغتون بأنه تحت ضغط هائل يبلغ حوالي 25 جيجا باسكال (250,000 ضغط جوي؛ 3,600,000 رطل لكل بوصة _مربعة ) ، سيُظهر الهيدروجين خصائص معدنية : فبدلاً من جزيئات H₂ المنفصلة (التي تتكون من إلكترونين مرتبطين بين بروتونين)، ستتشكل بنية صلبة ذات شبكة بروتونية والإلكترونات غير متمركزة في جميع أنحائها. ^{[ 1 ]} ومنذ ذلك الحين، وُصف إنتاج الهيدروجين المعدني في المختبر بأنه "الهدف الأسمى لفيزياء الضغط العالي". ^{[ 3 ]}   

تبين لاحقًا أن التوقع الأولي بشأن مقدار الضغط المطلوب كان منخفضًا للغاية. ^{[ 4 ]} منذ العمل الأول الذي قام به ويغنر وهانتينغتون، تشير الحسابات النظرية الحديثة إلى ضغوط تمعدن أعلى، ولكنها قابلة للتحقيق، تبلغ حوالي 400 جيجا باسكال (3,900,000 ضغط جوي؛ 58,000,000 رطل لكل بوصة مربعة) . ^{[ 5 ] [ 6 ]}   

الهيليوم-4 سائل عند الضغط الجوي العادي بالقرب من الصفر المطلق ، نتيجةً لطاقة نقطة الصفر العالية لديه . كما أن طاقة نقطة الصفر للبروتونات في حالة الكثافة عالية أيضًا، [ ^{7 ] ومن} المتوقع انخفاض طاقة الترتيب (مقارنةً بطاقة نقطة الصفر) عند الضغوط العالية. وقد طرح نيل آش كروفت وآخرون حججًا مفادها وجود حد أقصى لنقطة انصهار الهيدروجين المضغوط ، ولكن أيضًا أنه قد يكون هناك نطاق من الكثافات، عند ضغوط تقارب 400 جيجا باسكال، يكون فيه الهيدروجين معدنًا سائلًا، حتى عند درجات الحرارة المنخفضة. ^{[ 8 ] [ 9 ]}

توقع جينغ أن طاقة نقطة الصفر للبروتونات تخفض بالفعل درجة انصهار الهيدروجين إلى حد أدنى يتراوح بين 200 و250 كلفن (-73 إلى -23 درجة مئوية) عند ضغوط تتراوح بين 500 و1500 جيجا باسكال (4,900,000 إلى 14,800,000 ضغط جوي؛ 73,000,000 إلى 218,000,000 رطل لكل بوصة مربعة) . ^{[ 10 ] [ 11 ]}     

قد توجد ضمن هذه المنطقة المسطحة مرحلة وسيطة أساسية بين الحالة السائلة والصلبة، والتي يمكن أن تستقر بشكل شبه مستقر حتى درجة حرارة منخفضة وتدخل في حالة فوق صلبة . ^{[ 12 ]}

في عام 1968، اقترح نيل آش كروفت أن الهيدروجين المعدني قد يكون موصلاً فائقاً ، حتى درجة حرارة الغرفة ( 290 كلفن أو 17 درجة مئوية ). وتستند هذه الفرضية إلى اقتران قوي متوقع بين إلكترونات التوصيل واهتزازات الشبكة البلورية . ^{[ 13 ]}  

قد يمتلك الهيدروجين المعدني شبه المستقر إمكانات واعدة كوقود صاروخي عالي الكفاءة؛ حيث يُخزّن في صورته المعدنية، وتُستخدم طاقة انخفاض ضغطه وتحويله إلى صورته الغازية ثنائية الذرة عند إطلاقها عبر فوهة لتوليد قوة الدفع، مع دافع نوعي نظري يصل إلى 1700 ثانية (للمقارنة، فإن أكثر أنواع الوقود الصاروخي الكيميائي كفاءة حاليًا لها _دافع نوعي أقل من 500 ثانية ^{[ 14 ]} )، على الرغم من أنه قد لا توجد صورة شبه مستقرة مناسبة للإنتاج الضخم والتخزين التقليدي بكميات كبيرة. ^{[ 15 ] [ 16 ]} ومن القضايا المهمة الأخرى حرارة التفاعل، التي تتجاوز 6000 كلفن، وهي مرتفعة جدًا بحيث لا يمكن استخدام أي من مواد المحركات المعروفة. وهذا يستلزم تخفيف الهيدروجين المعدني بالماء أو الهيدروجين السائل، وهو مزيج من شأنه أن يوفر تحسينًا كبيرًا في الأداء مقارنةً بالوقود الحالي. ^{[ 14 ]}

تُعرف حاليًا حالات المادة "الفائقة" بأنها الموصلات الفائقة ، والسوائل والغازات فائقة الميوعة ، والمواد الصلبة الفائقة . وقد تنبأ إيغور باباييف بأنه إذا كان للهيدروجين والديوتيريوم حالات معدنية سائلة، فقد يمتلكان حالات كمومية مرتبة لا يمكن تصنيفها على أنها موصلات فائقة أو سوائل فائقة بالمعنى المعتاد. بل قد يمثلان نوعين جديدين محتملين من الموائع الكمومية : الموائع الفائقة الموصلة والموائع الفائقة المعدنية . وقد تنبأ باباييف بأن هذه الموائع ستُظهر تفاعلات غير عادية للغاية مع المجالات المغناطيسية الخارجية والدوران، مما قد يوفر وسيلة للتحقق التجريبي من تنبؤات باباييف. كما اقتُرح أيضًا أنه تحت تأثير مجال مغناطيسي، قد يُظهر الهيدروجين تحولات طورية من الموصلية الفائقة إلى الميوعة الفائقة والعكس. ^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]}

في عام 2009، توقع زوريك _وآخرون أن سبيكة LiH₆ ستكون معدنًا مستقرًا عند ربع الضغط اللازم لتحويل الهيدروجين إلى معدن، وأن تأثيرات مماثلة ستنطبق على سبائك من نوع LiHₙ _وربما " أنظمة الهيدريد القلوية العالية الأخرى "، أي سبائك من نوع _XHₙ ، حيث X هو فلز قلوي . ^{[ 20 ]} وقد تم التحقق من ذلك لاحقًا في AcH₈ _و LaH₁₀ مع اقتراب _{درجة حرارة التحول الفائق} (Tc ₎ من 270 كلفن ^{[ 21 ]} مما أدى إلى التكهن بأن مركبات أخرى قد تكون مستقرة حتى عند ضغوط منخفضة جدًا (ميغا باسكال) مع موصلية فائقة عند درجة حرارة الغرفة. 

في مارس 1996، أفاد فريق من العلماء في مختبر لورانس ليفرمور الوطني أنهم أنتجوا بالصدفة أول هيدروجين معدني يمكن التعرف عليه ^{[ 22 ]} لمدة ميكروثانية تقريبًا عند درجات حرارة تصل إلى آلاف الكلفن ، وضغوط تزيد عن 100 جيجا باسكال (1,000,000 ضغط جوي ؛ 15,000,000 رطل لكل بوصة مربعة ) ، وكثافات تقارب   0.6  غ/سم³ ^. [ ^{23 ] لم} يتوقع الفريق إنتاج هيدروجين معدني، إذ لم يستخدم الهيدروجين الصلب ، الذي كان يُعتقد أنه ضروري، وكان يعمل عند درجات حرارة أعلى من تلك المحددة في نظرية التمعدن. ولم تؤكد الدراسات السابقة التي ضُغط فيها الهيدروجين الصلب داخل سندانات ماسية إلى ضغوط تصل إلى 250 جيجا باسكال (2,500,000 ضغط جوي؛ 37,000,000 رطل لكل بوصة مربعة) حدوث تمعدن قابل للكشف. كان هدف الفريق ببساطة قياس التغيرات الأقل حدة في الموصلية الكهربائية التي توقعوها. استخدم الباحثون مدفع غاز خفيف من ستينيات القرن الماضي ، استُخدم في الأصل في دراسات الصواريخ الموجهة ، لإطلاق صفيحة اصطدام في حاوية محكمة الإغلاق تحتوي على عينة من الهيدروجين السائل بسمك نصف مليمتر . كان الهيدروجين السائل على اتصال بأسلاك موصلة بجهاز لقياس المقاومة الكهربائية. وجد العلماء أنه مع ارتفاع الضغط إلى 140 جيجا باسكال (1,400,000 ضغط جوي؛ 21,000,000 رطل لكل بوصة مربعة) ، انخفضت فجوة نطاق الطاقة الإلكترونية ، وهي مقياس للمقاومة الكهربائية ، إلى الصفر تقريبًا. تبلغ فجوة نطاق الهيدروجين في حالته غير المضغوطة حوالي      15 إلكترون فولت  ، مما يجعله عازلاً ، ولكن مع زيادة الضغط بشكل كبير، انخفضت فجوة النطاق تدريجياً إلى0.3  إلكترون فولت . لأن الطاقة الحرارية للسائل (أصبحت درجة الحرارة حوالي 3000 كلفن أو 2730 درجة مئوية نتيجة لضغط العينة) كانت أعلى من  0.3  إلكترون فولت ، يمكن اعتبار الهيدروجين معدنيًا.

تتواصل العديد من التجارب لإنتاج الهيدروجين المعدني في ظروف المختبر تحت ضغط ثابت ودرجة حرارة منخفضة. وقد أظهر آرثر روف وتشاندرباس نارايانا من جامعة كورنيل عام 1998، ^{[ 24 ]} ولاحقًا بول لوبير ورينيه لتوليك من هيئة الطاقة الذرية الفرنسية عام 2002 ، أنه عند ضغوط قريبة من تلك الموجودة في مركز الأرض ( 320-340 جيجا باسكال أو 3,200,000-3,400,000 ضغط جوي ) ودرجات حرارة تتراوح بين 100 و300 كلفن (-173-27 درجة مئوية) ، لا يزال الهيدروجين غير فلز قلوي حقيقي، نظرًا لوجود فجوة نطاق طاقة غير صفرية. ولا يزال السعي مستمرًا لرؤية الهيدروجين المعدني في المختبر تحت درجة حرارة منخفضة وضغط ثابت. كما تُجرى دراسات أيضًا على الديوتيريوم . ^{[ 25 ]} أظهر شهريار بديعي وليف هولمليد من جامعة غوتنبرغ في عام 2004 أن الحالات المعدنية المكثفة المكونة من ذرات الهيدروجين المثارة ( مادة ريدبيرغ ) هي عوامل فعالة لتحفيز الهيدروجين المعدني، ^{[ 26 ]} ومع ذلك، فإن هذه النتائج محل خلاف. ^{[ 27 ]}    

تم اكتشاف الحد الأقصى المتوقع نظريًا لمنحنى الانصهار (الشرط الأساسي للهيدروجين المعدني السائل) بواسطة شانتي ديمياد وإسحاق ف. سيلفيرا باستخدام التسخين بالليزر النبضي. ^{[ 28 ]} وادعى إم. آي. إيريميتس وآخرون أن السيلان الجزيئي الغني بالهيدروجين ( SiH4 ) يتحول إلى معدن ويصبح فائق التوصيل. _[ ^{29 ] إلا} أن هذا الادعاء محل خلاف، ولم يتم تكرار نتائجهم. ^{[ 30 ] [ 31 ]}

في عام 2011، أفاد إيريميتس وترويان برصد الحالة المعدنية السائلة للهيدروجين والديوتيريوم عند ضغوط ثابتة تتراوح بين 260 و300 جيجا باسكال (2,600,000-3,000,000 ضغط جوي) . ^{[ 32 ] [ 33 ]} وقد شكك باحثون آخرون في هذا الادعاء عام 2012. ^{[ 34 ] [ 35 ]}  

في عام 2015، أعلن علماء في منشأة Z للطاقة النبضية عن إنتاج الديوتيريوم المعدني باستخدام الديوتيريوم السائل الكثيف ، وهو تحول من عازل كهربائي إلى موصل يرتبط بزيادة في الانعكاسية الضوئية. ^{[ 36 ] [ 37 ]}

في 5 أكتوبر 2016، نشر رانغا دياس وإسحاق ف. سيلفيرا من جامعة هارفارد ، في مسودة بحثية أولية، أدلة تجريبية تُشير إلى تخليق الهيدروجين المعدني الصلب في المختبر عند ضغط يبلغ حوالي 495 جيجا باسكال (4,890,000 ضغط جوي؛ 71,800,000 رطل لكل بوصة مربعة) باستخدام خلية سندان ماسية . ونُشرت نسخة مُنقحة في مجلة ساينس عام 2017. ^{[ 38 ] [ 39 ] [ 40 ]}   

في النسخة الأولية من الورقة البحثية، كتب دياس وسيلفيرا:

مع ازدياد الضغط، نلاحظ تغيرات في العينة، إذ تتحول من شفافة إلى سوداء، ثم إلى معدن عاكس، وقد دُرست الأخيرة عند ضغط 495 جيجا باسكال... تم قياس الانعكاس باستخدام نموذج درود للإلكترون الحر لتحديد تردد البلازما البالغ 30.1  إلكترون فولت عند درجة حرارة 5.5 كلفن، مع كثافة حاملات إلكترونية مقابلة تبلغ   6.7 × 10²³ جسيم/سم³ ^{، وهو} ما يتوافق مع التقديرات النظرية. وتتشابه خصائصه مع خصائص المعادن. وقد تم إنتاج الهيدروجين المعدني الصلب في المختبر.

في يونيو 2019، ادعى فريق من مفوضية الطاقة الذرية والطاقات البديلة (اللجنة الفرنسية للطاقات البديلة والطاقة الذرية) أنه قد أنشأ هيدروجينًا معدنيًا عند حوالي 425 جيجا باسكال (4,190,000 ضغط جوي) . ^{[ 41 ]}  

أعاد دبليو. فيريرا وآخرون (بمن فيهم دياس وسيلفيرا) تجاربهم عدة مرات بعد نشر مقالهم في مجلة ساينس، ونشروا نتائجهم أخيرًا في عام 2023، حيث وجدوا أن الهيدروجين المعدني يتحول إلى الحالة المعدنية عند ضغط يتراوح بين 477 و491 جيجا باسكال (4,710,000 و4,850,000 ضغط جوي) . في هذه المرة، تم تخفيف الضغط لتقييم مسألة عدم الاستقرار. ولم يُلاحظ أن الهيدروجين المعدني غير مستقر عند ضغط الصفر. ^{[ 42 ]}  

في أغسطس/آب 2018، أعلن العلماء عن ملاحظات جديدة ^{[ 43 ]} تتعلق بالتحول السريع للديوتيريوم السائل من حالة عازلة إلى حالة معدنية عند درجة حرارة أقل من 2000  كلفن. وقد لوحظ توافق ملحوظ بين البيانات التجريبية والتنبؤات المستندة إلى محاكاة مونت كارلو الكمومية ، والتي يُتوقع أن تكون الطريقة الأكثر دقة حتى الآن. قد يُساعد هذا الباحثين على فهم الكواكب الغازية العملاقة بشكل أفضل ، مثل المشتري وزحل والكواكب الخارجية ذات الصلة ، إذ يُعتقد أن هذه الكواكب تحتوي على كميات كبيرة من الهيدروجين المعدني السائل، والذي قد يكون مسؤولاً عن مجالاتها المغناطيسية القوية المرصودة . ^{[ 44 ] [ 45 ]}