Kokkusurutud deuteerium muutus metalliliseks

Sung Chang, tõlgitud ajakirjast Physics Today

Vesinik on kõige lihtsam ja kõige levinum keemiline element universumis. Aga vastupidiselt sellele näilisele lihtsusele on vesiniku omadused tihti ettearvamatud. Siin võtame ette ühe näite: erinevalt kõigist perioodilisustabelis vesiniku all olevatest leelismetallidest jääb vesinik isegi tahkes olekus mittejuhiks kuni kõige madalamate temperatuurideni välja.                 

Eugene Wigner ja Hillard Huntington ennustasid juba 1935.aastal, et vesinik võib piisavalt kõrgel rõhul vabaneda oma molekulaarsetest sidemetest ja muutuda atomaarseks metalliks. Algas võidujooks vesiniku isolaator-metall faasisiirde avastamiseks, aga see kujunes pigem maratoniks kui sprindiks.

Kõrgrõhu eksperimentide on kurikuulsad oma keerukuse pärast. Vesinikuga tehtavad eksperimendid veel eriti. Kui tavaliselt kasutatakse staatilistes kõrgrõhueksperimentides teemantalasiga kõrgrõhurakkude, siis vesinikuga tehtavates eksperimentides on nende kasutamine raskendatud, kuna vesinik tungib teemantisse ning tekitab seal pragusid. Löök-kokkusurumist kasutavates dünaamilistes eksperimentides saavutatakse küll kõrgemaid rõhkusid, aga need soojendavad uuritava aine kõrgete temperatuurideni ja saavutatavad on vaid teatud rõhu ja temperatuuri väärtused, kusjuures need sõltuvad süsteemi algolekust. Seni on eksperimentaatorid suutnud vesinikule avaldada staatilistes eksperimentides 320 GPa ja dünaamilistes eksperimentides 500GPa rõhku. Aga  metallilist vesinikku ei ole suudetud saada.

Nüüd on Marcus Knudson ja Mike Sesjarlais Sandia riiklikust laboratooriumist (Sandia National Laboratory) ja nende kolleegid Sandia ja Rostocki Ülikoolidest avaldanud tulemused, mille kohaselt nad on jälginud seda raskesti tabatavat üleminekut. Töörühm saavutas üle 300GPa rõhu temperatuuridel 1000 – 2000 K kasutades selleks Sandia Z masinat. Nende mõõtmised näitasid, et vedela deuteeriumi üleminek mittejuhtivast juhtivasse, st metallilisse olekusse toimub umbes 300GPa juures.

Kohutav surve

Maailma võimsaimat elektromagnetiliste impulsside generaatorit, Z masinat (vt pilti), tuntakse eelkõige fusiooni (termotuumareaktsiooni) ja relvatööstusega seotud uuringute kaudu. Deuteeriumi metallilisse olekusse pressimiseks vabastasid uurijad Sandia Rahvusliku Laboratooriumi z masina 2160 kondensaatori energia ning vormisid sellest sobiliku 1 mikrosekund kestva impulsi. Sellesse impulssi mahtus tervelt 2MJ energiat. Masina jõukaablid, on uputatud destilleeritud vette, mis täidab masinas isolaatori rolli. Pildil on näha kaarlahendused, mis tekivad masina kohale hetkel, kui laeng vabastatakse.

Uurijad on näinud märke metallilise vesiniku olemasolust ka varem. 1996. aastal tulistasid Samuel Weir, Arthur Mitchell ja William Nellis gaasikahuriga metallkettaid vedela vesiniku ja deuteeriumi märklaudade pihta ja saavutasid kuni 180Gpa rõhke. Üle 140 GPa küündivate rõhkude juures mõõtsid nad märklaudades vedelale metallile iseloomulikku elektrilise takistuse käitumist.

Aga need vaatlused toimusid kuni 3000K ulatuvatel temperaturidel. Samas on teoreetikute hinnangul mittejuht-metall faasisiirde kriitiline punkt umbes 2000K juures. Sellepärast arvatakse, et nendes eksperimentides oli enamus vesinikust endiselt molekulaarses, st mittejuhtivas olekus ja metallilisus oli pigem kõrvalefekt. Sandia-Rostocki töörühm tahtis esile kutsuda faasisiirde kriitilises punktis. „Eksperimendi suurim väljakutse oli saavutada kõrged rõhud ilma, et temperatuur liiga kõrgeks läheks“, seletas Knudson.

Uurijate arvutused näitasid, et kui nad tekitavad Z masinaga täpselt õige ajalise kujuga impulsi,  saavad nad ühekorraga kasutada kaht tavapärast kokkusurumise meetodit – lööki ja rõhu järk-järgulist tõstmist (dünaamilist ja staatilist rõhku) . Impulsi esimene osa lennutab alumiiniumplaadi vastu alumiiniumist valmistatud krüorakku, milles on 150 mikromeetri paksune kiht 22K jahutatud vedelat deuteeriumi. 2- 3.5 km/s kiirusel toimuvad kokkupõrked tõstavad deuteeriumi temperatuuri 800 kuni 1400K, rõhk on sealjuures 20-50Kpa. Impulsi teine osa surub deuteeriumi kasvava elektromagnetilise rõhu toimel kokku juba rahulikumas tempos, nii et deuteeriumi temperatuur jääb alla 2000K isegi kui rõhk kasvab üle 300GPa.

Töörühm tegi oma katseid deuteeriumi, mitte vesinikuga. Selle põhjuseks oli asjaolu, et deuteerium on suurema tihedusega ja seega on eksperimendi parameetrite paika timmimine kergem ülesanne. Nüüd, kui deuteeriumiga on katsed edukalt läbi viidud on, võtavad nad ette ka vesiniku.

Täismahus artiklit loe ajakirjast Physics Today