امیدها به تولید نخستین نمونه «هیدروژن فلزی»

رؤیای تولید هیدروژن فلزی از گذشته پررنگ‌تر شده است؛ ماده‌ای که گرچه بالغ بر هشتاد سال از پیش‌بینی وجود آن می‌گذرد، اما سودای دسترسی به نمونه‌ای حتی آزمایشگاهی از آن، در این مدت هیچ نتیجه‌ای در بر نداشته است. انتظار می‌رود هیدورژن، این فراوان‌ترین عنصر عالم، در وضعیت فلزی خود به یک «ابررسانا» با قابلیت پایداری در دمای اتاق بدل شود – که در اینصورت کلید ورود جهان فناوری به قلمروهایی سراسر تازه خواهد بود. اما نیل به این وضعیت فلزیِ هیدروژن، خود کلیدی دیگر می‌طلبد.

تصاویر میکروسکوپی ادعایی از مراحل تولید هیدروژن فلزی. هیدروژن مولکولی تحت فشار حدوداً ۲۰۰ گیگاپاسکال (چپ)؛ هیدروژن مولکولی کدر (وسط)؛ و احتمالاً هیدروژن فلزی براق تحت فشار ۴۹۵ گیگاپاسکال (راست).

در اکتبر سال گذشته میلادی، آیزاک سیلورا (Isaac Silvera)، از اساتید فیزیک دانشگاه هاروارد، جمعی از همکاران خود را به تماشای چیزی از پشت میکروسکوپ آزمایشگاه‌اش دعوت کرد که به ادعای او تاکنون وجود آن در هیچ‌کجای کیهان به تأیید تجربی نرسیده بوده است. او می‌گوید: “هفته‌ها طول کشید تا هیجان‌ها بخوابد.” حال، نوبت به انتشار مقاله رسیده بود: «مشاهده گذار ویگنر-هانتینگتون به هیدروژن فلزی» در شماره اخیر نشریه Science.

بالغ بر هشتاد سال پیش، فیزیکدانان دانشگاه پرینستون، یوجین ویگنر و هیلارد هانتینگتون، پیش‌بینی کرده بودند که تحت فشارهای بیش از ۲۵ گیگاپاسکال (یعنی بالغ بر ۲۰۰ برابر فشار وارده به کف گودال ماریانا)، اتم‌های جامد هیدروژن، خواصی فلزی به خود می‌گیرند، که از آن جمله می‌توان به بازتابندگی و رسانایی بالا (آن‌هم رسانایی ِ فاقد هیچ‌گونه مقاومت الکتریکی، موسوم به «ابررسانایی») اشاره کرد. مواد ابررسانا معمولاً تحت دماهای فوق‌العاده پایین به پایداری می‌رسند، و لذا کاربردشان امروزه به معدودی حوزه‌های تخصصی – از قبیل شتاب‌دهنده‌های ذرات، و تجهیزات ویژه پزشکی – که به سیم‌پیچ‌هایی فوق‌کارآمد برای تولید میدان‌های قوی مغناطیسی محتاج‌اند، محدود می‌شود. اما پیش‌بینی می‌شود که فرم فلزی هیدروژن، خواص ابررسانایی را در دمای اتاق از خود بروز بدهد.

اگرچه فیزیکدانان مدت‌هاست که سد ۲۵ گیگاپاسکالی ویگنر-هانتیگنتون را شکسته‌اند و به فشارهای شدیدتری دست پیدا کرده‌اند، اما درک بهتر خواص کوانتومی ماده، ما را به این نتیجه رهنمون شده که «گذار ویگنر-هانتیگنتون» (از هیدروژن اتمی به هیدروژن فلزی)، فشارهایی فوق‌العاده بیشتر، مابین ۴۰۰ تا ۵۰۰ گیگاپاسکال می‌طلبد – این در حالی است که فشار هسته زمین، چیزی در حدود ۳۶۰ گیگاپاسکال است.

از همین رو انتظار می‌رود که بتوان میدان‌های مغناطیسی خارق‌العاده سیاراتی همچون مشتری و زحل را با فرض وجود لایه‌ای از هیدروژن فلزی در منطقه گوشته‌شان تبیین کرد. هیدروژن فراوان‌ترین عنصر تشکیل‌دهنده این سیارات است، و با توجه به حجم ده‌ها برابری‌ آنها در نسبت با زمین، می‌توان تصور کرد که در عمقی مشخص از این سیارات، شرایط امکانی ایجاد هیدروژن فلزی برآورده شده باشد.

طرح ابعاد ظاهری میدان مغناطیسی مشتری در مقایسه با ماه کامل. تصور می‌رود که میدان مغناطیسی غول‌آسای مشتری، ناشی از وجود لایه‌ای ابررسانا از هیدروژن فلزی در آن باشد.

اما پیداست که تحقق چنین شرایطی بر روی زمین، روش‌هایی ویژه را می‌طلبد. اگرچه تلاش‌های فیزیکدانان برای تولید هیدروژن مایع عملاً به ثمر نشسته است، اما تولید هیدروژن جامد، و از آن فراتر هیدورژن فلزی، با دشواری‌هایی نه فقط در فرآیند استحصال، بلکه در فرآیند راستی‌آزمایی هم مواجه است. مثلاً سیلورا و همکارش رانگا دایاس که مدعی تولید نخستین نمونه آزمایشگاهی هیدروژن فلزی شده‌اند، این نتیجه را صرفاً از روی میزان بالای بازتابندگی نمونه (بالغ بر ۹۰ درصد) گرفته‌اند، نه کسب اطمینان کافی از جامد بودن آن. اگر این نمونه حقیقتاً هیدروژن فلزی باشد، طبق پیش‌بینی‌ها باید «شبه‌پایدار» (metastable) نیز باشد، بدین‌معنا که پس از رفع فشار وارده، همچنان وضعیت فلزی خود را حفظ کند (همچون الماس، که پس از خروج از عمق معادن نیز کماکان الماس می‌ماند). اما سیلورا و دایاس از بیم از دست رفتن نمونه، هنوز آن را تحت همان فشار ۴۹۵ گیگاپاسکال نگه داشته‌اند.

این دو پژوهشگر، برای تولید نمونه، به یک «گیره الماس» توسل جستند. الماس از سخت‌ترین ترکیبات طبیعت است و می‌توان با اطمینان از پایداری آن، از آن برای اِعمال فشارهای سرسام‌آور به نمونه‌های آزمایشگاهی استفاده کرد. اما از آنجاکه نمونه سیلورا و دایاس یک نمونه گازی بود و امکان داشت تا تحت فشارهای بالا به خلل و فرج دو فک بلورین «گیره» الماسی نفوذ کند، تصمیم بر این شد که از الماس مصنوعی با اندود آلومین (یا اکسید آلومینیوم) برای اِعمال فشار، و نیز از یک واشر نگه‌دارنده فلزی برای کنترل نمونه، استفاده شود. نوک الماس‌ها با روشی موسوم به سونش پلاسما صیقل خورد، و به جای تاباندن یک لیزر قوی و متمرکز برای نظارت بر روند تحول نمونه – که می‌توانست به ساختار گیره و واشر لرزه بیاندازد – از یک لیزر ضعیف فروسرخ استفاده شد.

دو فک بلورین الماس مصنوعی و واشر فلزی مابین‌شان، در چارچوب آزمایش سیلورا و دایاس.

این نوآوری‌ها البته به قیمت افت دقت محاسبه هم تمام می‌شد. اندود آلومین چه بسا تحت فشارهای بالا به نمونه هیدروژن ورود پیدا کند و بر خلوص آن تأثیر بگذارد. از آنجاکه تحت فشارهایی بالاتر از ۴۰۰ گیگاپاسکال، هیدروژن کدر می‌شود و دیگر نمی‌توان تأثیر افزایش فشار (و حتی مقدار دقیق فشار) را بر آن مستقیماً محاسبه کرد، نمی‌توان از کنار چنین احتمالاتی به سادگی گذشت. با این‌همه، سیلورا و دایاس مدعی‌اند که مقایسه بازتابندگی نمونه نهایی با واشر پیرامون آن در پیش و پس از کدرشدگی هیدروژن، نشان می‌دهد که در این روند، خلوص نمونه دست‌نخورده مانده است.

با این‌حال، تا تأیید نهایی تولید نخستین نمونه هیدروژن فلزی، دو گام ضروری باقی است: یکی تکرار آزمایشاتی مشابه تحت شرایط مختلف، و دیگری رفع فشار از نمونه و کسب اطمینان از شبه‌پایداری و ابررسانایی آن در دمای اتاق. تنها پس از آن است که می‌توان آینده‌ای سراسر نویدبخش را نه فقط در حوزه برق و الکترونیک، بلکه در صنعت موشکی نیز متصور بود. از آنجاکه انرژی‌های هنگفتی برای تولید مقادیر اندکی هیدروژن فلزی صرف می‌شود، تبدیل همین مقدار اندک از هیدروژن فلزی به هیدروژن مولکولی می‌تواند به آزادسازی مقادیر هنگفتی انرژی بیانجامد – که در مقایسه با بهینه‌ترین سوخت‌های موشکی امروز، حدود ۳.۵ برابر بهینه‌تر خواهد بود.