Вадим Бражкин: Водород вроде бы должен образовать самый простой металл. Но по расчетам оказывается, что он самый сложный. Никто не знает,что это будет

Гости
Вадим Бражкин
академик РАН директор Института физики высоких давлений им. Верещагина, академик РАН

Ольга Орлова: В 1935 году американские ученые Юджин Вигнер и Белл Хантингтон предсказали, что водород может иметь свойства металла. Это новое вещество даже стали называть "Священным Граалем физики". Его предполагаемые практические свойства могли бы решить множество инженерных задач. И с тех пор десятки научных групп по всему свету пытались получить металлический водород. Почему это так трудно сделать? Об этом по гамбургскому счету мы решили спросить академика Российской академии наук, директора Института физики высоких давлений имени Верещагина Вадима Бражкина.

Здравствуйте, Вадим Вениаминович. Спасибо, что пришли к нам в программу.

Вадим Бражкин: Здравствуйте, Ольга. Спасибо, что позвали.

Вадим Бражкин. Родился в 1961 году в городе Златоусте. В 1984-ом закончил Московский физико-технический институт. В 1987 году защитил кандидатскую диссертацию. В 1996 году – докторскую. С 1984 года работает в Институте физики высоких давлений имени Верещагина Российской академии наук. Прошел путь от младшего научного сотрудника до директора института. В 2011 году избран членом-корреспондентом Российской академии наук. В 2016-ом избран академиком Российской академии наук. Специалист в области высоких давлений, фазовых переходов и неупорядоченных сред.

О.О.: Начало этого года принесло сразу две большие сенсации. Одна сенсация пришла от ученых НАСА, которые говорили о том, что открыли планеты с потенциально пригодными условиями для жизни. И вот новость про металлический водород. Хотя кажется, что новость про металлический водород тоже немного связана с астрофизикой, потому что ведь есть мнение о том, что он может образовываться в ядрах таких планет-гигантов, как Сатурн.

В.Б.: Да, это так. И это было давно известно. Поскольку состав Солнечной системы и состав галактик более-менее известен. Мы не можем внутрь планет и звезд, но в среднем состав мы знаем. Мы знаем, что состав у Юпитера почти такой же, как состав у Солнца. Там чуть-чуть больше тяжелых элементов.

О.О.: И мы уверены, что там есть металлический водород?

В.Б.: Да. Поскольку Юпитер почти на 90% состоит из водорода и мы знаем, что во всех верхних слоях водород. Там чуть меньше 10% гелия и совсем немножко тяжелых элементов. Мы знаем плотность Юпитера, знаем размер, знаем момент инерции и так далее. И плотность 1.3. Эта плотность как раз соответствует жидкому металлическому водороду при давлениях от 2 млн до 50 млн атмосфер. То есть мы знаем, какое давление в Юпитере. Это легко рассчитать. И по расчетам понятно, что там должен быть жидкий металлический водород. И больших сомнений не было, начиная еще с 1950-х годов.

Другое дело, что астрофизики про это знали, а физикам это не очень интересно, потому что это не настоящий металлический водород. Это в неком смысле такая плазма. Там же десятки тысяч градусов. И это такое ионизованное состояние материи. А хотелось настоящего металла, который при комнатной температуре или при низких температурах.

О.О.: То есть речь идет о том, что с тем водородом, который астрофизически планетный, с ним ничего сделать пригодного нельзя на Земле. А хотелось получить тот, который был бы на Земле употребим. Так?

В.Б.: В общем, либо употребим, либо…

О.О.: Либо чем-то другим интересен?

В.Б.: Да. Какие-то новые свойства. Потому что свойства у металлического водорода, который в Юпитере, в Сатурне, они понятны. Можно их уточнять. И, кстати, из-за этого Юпитер имеет магнитное поле. Потому что водород же металлический. Поэтому модель динамо. У нас вращается внешнее ядро Земли на основе железа. Оно тоже проводящее. Отсюда магнитное поле. А в Юпитере вращается большая часть самой планеты. Внутри совсем маленькая часть – каменное ядро. А почти вся часть состоит из металлического водорода.

Что с водородом делается при низких температурах? Можно ли его металлизовать при низких, можно ли получить твердое состояние, какой-то металлический кристалл водорода. Не просто плазму какую-то, а кристалл с какими-то совсем необычными свойствами. Вот это интересовало с 1930-х годов и до сих пор интересует.

О.О.: Теперь получается (опять, судя по новостям), что этот исторический момент настал. Потому что американские гарвардские ученые Ранга Диас и Исаак Сильвера опубликовали статью в журнале Science о том, что им удалось получить металлический водород. И вдруг началось что-то странное. Об этом написали все ведущие издания – и "BBC", и "Independent". И потом, получается, он куда-то исчез. То есть его получили, но потом это вещество исчезло. Что произошло?

В.Б.: Несколько слов о предыстории. Поскольку металлический водород открывали много раз. Его предсказали в 1930-е годы. И первая волна была в 1970-е годы, в том числе и у нас в институте были заявления о том, что он получен. Но эти заявления не были подтверждены. То есть тогда еще и не было современных методов его идентификации, и непонятно, что наблюдалось, что не наблюдалось. Вторая волна – это были 1990-е годы прошлого века. Тогда в биофизической лаборатории в Вашингтоне обнаружили, что водород начинает блестеть. То есть он прозрачный, блестит, вроде бы металл. И связано это было с тем, что появилась методика алмазных наковален. То есть сжимаем вещество между двумя заостренными алмазиками. Максимальные давления тогда были около 2 млн атмосфер. И вот при около 2 млн что-то с ним происходит. Но потом люди уточнили, и выяснилось, что нет, он остается пока еще диэлектриком, полупроводником, он прозрачный. Там немножко меняется показатель преломления. Там есть интересные переходы, но он пока еще не металл.

Причем, интересно, что теоретические предсказания тоже все время сдвигались. То есть вначале теоретики в 1930-е годы предсказали, что это должно быть 200 000 атмосфер, потом предсказали, что 1 млн атмосфер. Когда экспериментаторы достигли миллиона, сказали, что должно быть 2 млн. Когда экспериментаторы достигли 2 млн, сказали, что 3 млн. И все время как-то сдвигается.

О.О.: Теоретики ставили все время новые рубежи и новые задачи. Экспериментаторы догоняли – и опять нет.

...Все утыкалось в 2 млн атмосфер. То есть выше 2 млн алмазы ломались 

В.Б.: Да. Связано с тем, что теоретикам трудно считать. С одной стороны, это вроде такой самый простой элемент – там протон и электрон. А, с другой стороны, и для расчетов, и для экспериментов это сложный объект. По разным причинам. Не буду останавливаться на этом. Достаточно долго об этом можно говорить. Но, тем не менее, даже самые современные методы расчета не дают (и в этом фундаментальная сложность понять, а чего мы ищем)… Потому что современные методы расчета говорят, что что-то, наверное, между 4 млн и 7 млн обязательно где-то металлизуется. Но что это будет за металл, в какой структуре? Будет ли он даже твердый или жидкий? В общем, никто из теоретиков сказать не может. Все спорят. Поэтому экспериментаторы… Пойди туда, не знаю куда. То есть ищет… Кстати, в середине 1990-х, после того как была вторая волна, одновременно с этим открыли жидкий металлический водород – тот, с которого мы начали, который в Юпитере, в Сатурне. Его открыли в ударных волнах, потому что, кроме статических давлений, можно делать динамические давления, ударные. И там нет ограничений по… Есть ограничения, но не такие серьезные. То есть 1 млн атмосфер для них не очень большие величины. Они могут сделать и 10 млн, и 100 млн. Но ударные волны одновременно сопровождаются огромным разогревом. И очень высокие температуры. И поэтому в неком смысле они получают ту же плазму, которая в Юпитере. Поэтому для Юпитера все хорошо, а тот кристалльчик, которые все мечтают получить, они получить не могут.

И в середине 1990-х вначале в Ливерморе Билл Неллис и буквально через полгода у нас команда Владимира Фортова получили этот металлический водород. И тут, кстати, хороший момент как раз обсудить по поводу последнего заявления Сильверы, чтоб к нему подойти. Это разный подход в интерпретации полученных данных. Американцы – это мировые лидеры в рекламе и в пиаре. Поэтому когда Билл Неллис получил эту плазму, он сказал: "Получил металлический жидкий водород, и сейчас небо в алмазах". И также, если вы посмотрите подшивки 1996-1997 года, была масса статей в популярных журналах. Фортов сказал, что да, получили плазму, получили очередную какую-то ионизованную плазму. И все это обычно, и ничего такого сенсационного нет. То есть это совершенно разный подход. Теперь возвращаясь к тому, что произошло сейчас. Возникла третья волна. Она возникла где-то лет 5 назад. С чем она была связана? С чем была связана проблема подойти к этой третьей волне? Все утыкалось в эти 2 млн атмосфер. То есть выше 2 млн алмазы ломались. То есть мы давим алмаз на алмаз, алмазики ломаются. Причем, если давить между алмазами какой-то металл, то можно давить и до 3, и до 4 млн. А водород к тому же портит алмаз – он проникает внутрь алмаза и ускоряет его ломку, разрушение.

Можно пойти двумя путями: либо давить алмазы при низких температурах, когда почти нет диффузии водорода туда, либо чем-то алмазы покрывать, очень тоненькой пленочкой. И тогда тоже как бы заизолировать его. Но пленочка все равно должна быть прозрачная, чтобы смотреть, что же происходит с вашим водородом. Образцы очень маленькие. Что такое вообще алмазные наковальни? Это алмазики размером 3-4 мм с острием 20-30 микрон. То есть это в 2 раза тоньше, чем человеческий волос. И вот между двумя такими площадочками в 2 раза тоньше, чем человеческий волос… Две площадочки давят друг на друга. Между ними есть еще прокладочка тоненькая, в ней дырочка. И в ней образец диаметром 10 микрон и 1 микрон толщиной. И уперлись в 2 млн. И все подходили, как всегда это накапливалось. И вот лет 5 назад случился прорыв. И сразу в 4 или 5 группах люди стали получать 3-4 млн атмосфер. И оказалось много чего интересного. И было уже 4 или 5 заявлений, что металлический водород получен. То есть Сильвера был не первым.

Причем, надо сказать, что тут к чести отечественных ученых, но не к чести, может быть, российской науки, большинство тех, кто заявлял – это наши соотечественники, которые либо временно, либо постоянно работали за рубежом. И, более того, лидеры физики высоких давлений, которые занимаются водородом, это бывшие сотрудники нашего института и в том числе, например, Михаил Еремец, который работает в Германии, Александр Гончаров (это геофизическая лаборатория США), Евгений Григорьянц (Шотландия плюс Китай), Витя Стружкин (США). В общем, такая публика.

Более того, самые высокие давления в мире в алмазных наковальнях тоже получает Леонид Дубровинский. В общем, даже скучно. Но Сильвера – исключение. Он работает сам. У него бывают китайские или японские студенты и аспиранты. Есть еще группа… во Франции. В общем, групп не так много. И все это достаточно сложно.

И было несколько заявлений. Но, опять же, все, как я говорю, упирается в пиар. То есть поскольку групп много и доказать, что действительно получили металлизацию, сложно, то остальные группы, которые считают, что они тоже вот-вот получат, и получат за это нобелевскую премию либо какие-то дивиденды, либо просто станут знаменитыми, они ревностно к этому относятся. Поэтому все группы друг за другом следят и ищут возможные ошибки в экспериментах других людей.

Первым заявление сделал Еремец, что у него металлический водород. Он сумел померить сопротивление. Сказали, что нет, он у тебя не металлический, он у тебя полупроводниковый. Целая куча комментариев. Заставили изменить название – не металлический, а проводящий. Потом были еще ряд публикаций, другие заявления других людей. И сейчас вдруг неожиданно выстрелила статья Сильверы. И Сильвера в этом смысле находился в выигрышной ситуации. Поскольку он, во-первых, американец, во-вторых, послал в американский журнал Science. Плюс у него хорошие контакты. Он уже 50 или 60 лет работает в этом направлении. Хорошие контакты с редколлегией. То есть каким-то образом еще и обеспечил хорошее рецензирование, более-менее благоприятное. И поэтому весь этот пиар и многочисленные статьи и интервью – почему их было в 10 раз больше, чем после статьи того же Еремца, который, хоть и российский гражданин, но вроде работает в Германии, именно потому что это была Америка и была подключена одновременно пропагандистская машина. Причина только в этом. А так прорыва особо не произошло.

Что увидел Сильвера? Сильвера увидел, что…

О.О.: Что он получил?

В.Б.: Да, что он получил? Он сказал, что образец стал хорошо отражать. Образец был прозрачный, потом стал черный, а потом стал отражать, как металл. Но на самом деле полупроводники (какой-нибудь германий, кремний) тоже хорошо отражают, потому что видимые области смотрел. К тому же там такие сильно выгнутые площадки у алмазов, и коэффициент отражения достаточно трудно мерить. И он подвергся справедливой критике, что, во-первых, он неправильно померил давление, во-вторых, неправильный коэффициент отражения. Но, тем не менее, эта статья прошла. Сказал, что он металл нашел, сильно отражающий, и значит он металл.

Но реально нужно доказать. То есть нужно померить в широком спектре. Не только в видимом свете, но и в инфракрасном. Желательно завести какие-то контакты для измерений и посмотреть, все-таки проводит он ток или нет. Желательно посмотреть, есть ли сверхпроводимость. И все это можно сделать на этих образцах. Но это все именно такой передний край. Потому что эксперимент трудный. Теперь то, что вы спросили: "Куда исчез образец?".

О.О.: Да. Просто ведь удивительно было то, что вскоре появились сообщения (опять, это же их же заявления, экспериментаторов), что, оказывается, это вещество куда-то исчезло.

В.Б.: Да. Тут совсем ничего необычного нет. Это продолжение пиара. Потому что даже какой-то негативный результат все равно привлекает внимание публики. Что фактически сделал Сильвера? Он сказал, что мы сдавили, у всех было максимально 4 млн атмосфер, а мы сумели сделать 5 млн. Вот, что он сказал. За счет чего? За счет того, что мы лучше обработали алмазные наковальни, вот эти алмазики: под электронным микроскопом ионным пучком стравливали каждый атом и смотрели, чтобы были шероховатости не в 3 атома, а в 1 атом, чтобы был вообще идеальный гладкий атомный слой. И тогда мы как раз получили эти 5 млн. И то не с первого раза. Много наковален сломали, этих алмазиков тоже много сломали – в конце концов 5 млн получили. И в этих 5 млн он блестит, отражает. И после этого, естественно, американский подход: туда приглашаются все желающие, смотрят в микроскоп и говорят: "Да, блестит, отражает". Там как журналисты, так и физики – все желающие могут полюбопытствовать. Там в течение нескольких суток был такой музей. То есть все смотрели на единственный в мире, по мнению Сильверы, кусок металлического водорода, зажатый при 5 млн атмосфер.

Но потом они решили еще раз померить давление, чуть-чуть подогреть, померить спектр отражения, то есть очень слабым лазером попытались возбудить этот образец, отчего, как бывает очень часто, камера сломалась. На самом деле она могла сломаться и раньше. То есть когда камеры давишь, они ломаются. Представляете, трое суток, страшно напряженная камера. Если она уже и так держит всего 3 млн, уже при 5 млн там уже куча напряжений. И один алмазов разлетелся просто в пыль. В этом интервью Сильвера с деланым удивлением говорит, что он ни разу это не наблюдал, хотя те физики, которые занимаются такими экспериментами выше 2 млн атмосфер, знают, что алмазы всегда разлетаются в пыль при этих условиях. И сказал, что поэтому мой образец куда-то улетел, мы его искали-искали и не нашли.

Это тоже часть пиара, поскольку, во-первых, после разгрузки от таких давлений никто никогда образец не находит. Он весь в гаскетке перемешивается. Во-вторых, образец наверняка просто испарился и перешел в обычный газообразный водород. Но, тем не менее, так он сказал, что "было у меня, сейчас буду делать следующий".

О.О.: А те группы, которые дышат друг другу в затылок и пытаются поймать этот металлический водород, принцип эксперимента у них у всех один и тот же? Это всегда алмазные наковальни, высокое давление?

В.Б.: Вообще идея какая? Сблизиться молекулы водорода. Мы давим, естественно, на какую-то конденсированную среду. То есть это либо жидкий водород, либо твердый водород. То есть у нас водород в воздухе в газообразном виде, это молекулы H2, связаны очень сильной связью. На расстоянии 0.7 ангстрема находятся два атома водорода, то есть два протончика. А расстояние между молекулами очень большое. И поэтому нужно сблизиться эти молекулы так близко, чтобы расстояние между молекулами стало сравнимо с расстояниями внутри молекулы. И тогда должен произойти переход, по мнению и теоретиков, и экспериментаторов. То есть один путь такой. Просто сдавить, сблизить, и они перейдут.

Второй путь (кстати, Сильвера с него начинал еще 60 лет назад) – это попытаться сделать вообще при нормальном давлении металлический водород, попытаться атомом водорода не дать образовывать молекулы. Для этого нужно поляризовать магнитные моменты протонов. Поскольку в молекуле водорода они направлены в противоположную сторону. Это называется параводород. А в ортоводороде они направлены параллельно. Так вот, при низких температурах у нас выгоден параводород. И при очень низких температурах на пленочке гелия, если мы сделаем магнитное поле, мы должны выстроить по магнитному полю магнитные моменты протонов в одну сторону, и тогда вроде бы мы не должны дать возможность образовываться молекулам. И действительно атомы водорода живут долго в такой ситуации. Но металлический водород не получен.

Второй подход – это ударные волны, как мы говорили. Что просто есть одновременно и высокие давления, и высокие температуры. Тогда у нас и сближаются молекулы, но одновременно есть просто ионизация за счет высокой температуры. То есть электроны отрываются от протонов за счет ионизации. И поэтому это просто плазма какая-то той или иной степени идеальности или неидеальности. Это два основных подхода.

Есть на самом деле и подход промежуточный. Он как-то реализуется редко. Это сделать очень высокие давления, но не очень высокие температуры. Это делается так называемое адиабатическое сжатие, то есть взрыв магнитных катушек. То есть взрывают магнитный соленоид. Это дорогой эксперимент. Он стоит сотни тысяч долларов. И реально он был всего в двух местах. Он был у нас в Сарове (Арзамас-16) и в Ливерморе. В Ливерморе потом прикрыли. У нас в Сарове это были успешные эксперименты группы Павловского. Сейчас они возрождаются. И там можно сделать запросто 10 млн атмосфер при относительно умеренных температурах – сотни кельвинов. Не десятки, конечно. Но пока тоже удачных экспериментов не получено. Хотя там образцы большие. То есть не микроны, а сантиметры можно получать. Но там каждый экперимент: взорвался, сотня тысяч долларов улетела, что-то получилось, что-то не получилось. Так что примерно так.

О.О.: А теперь объясните самое главное: в чем смысл этой дорогостоящей напряженной многолетней гонки?

Молекулярный водород должен образовать, с одной стороны, самый простой металл. Но по расчетам оказывается, что он самый сложный. Никто не может предсказать, что это будет 

В.Б.: Для этого два основания. Первое – это то, что американцы называют "element number one", то есть это первый элемент. Во-первых, это вроде бы самый простой элемент: у него один протон и один электрон. Все остальные элементы сложнее. У них много электронов, протоны, нейтроны и так далее. И вроде бы давно предсказано, что этот молекулярный водород должен образовать с одной стороны самый простой металл. Но по расчетам оказывается, что он самый сложный. Никто не может предсказать, что это будет. Это первый момент.

О.О.: Вы имеете в виду, это такой интеллектуальный вызов?

В.Б.: В общем, да. Казалось бы, первый элемент таблицы Менделеева. И вся атомная физика начинается с Бора. Это что атом водорода. И в нем какие-то разрешенные уровни: Ридберг, потенциал ионизации электрона в атоме водорода. А тут вроде как собрали много атомов водорода и не знаем, что из них получилось, то есть никто не может посчитать. И даже не знаем, при каком давлении что получится.

Второй момент – это возможные необычные свойства. То есть предсказано, что этот металлический водород должен иметь высокотемпературную сверхпроводимость, близкую к комнатной. А сейчас рекордная сверхпроводимость под давлением – это 200 К (-70 по Цельсию), а без давления - (-120 по Цельсию). А здесь должно быть выше. Более того, предсказано, что могут быть какие-то одновременно уникальные свойства. То есть некоторые теоретики предсказывают, что металлический водород может быть жидким даже при низких температурах и одновременно быть сверхтекучим, как гелий, и сверхпроводящим. То есть это просто какое-то новое состояние материи, которое вообще нигде никто никогда не наблюдал. То есть оно страшно интересно для физики. Это с точки зрения фундаментальной.

А с точки зрения того, как добыть деньги из народного хозяйства, это надо говорить, что, конечно, если мы его сохраним или сделаем другим способом, то тогда мы из него сделаем топливо для ракет самое мощное, броню для танков, сверхпроводящие провода и прочее, прочее, прочее. Но это на 99.99% пиар. Потому что большинство структур металлического водорода, которые рассматривались, они неустойчивы при нормальном давлении. И даже если есть какие-то устойчивые, они наверняка могут сохраняться только при очень низких температурах. То есть их нельзя вытащить здесь в комнате, подержать этот кусок металлического водорода. Поэтому это больше все-таки реклама. Но как такой стимул это работает.

О.О.: Спасибо большое. У нас в программе был директор Института физики высоких давлений имени Верещагина, академик Российской академии наук Вадим Бражкин.

Научные группы по всему миру десятилетиями пытаются получить водород с уникальными свойствами. Почему это так трудно сделать?