Dense quantum hydrogen

Abstract

Ultracondensed fluid metallic hydrogen has been made at high pressures. Solid metallic H would have several scientific and technological applications if metallic fluid hydrogen made at high pressures could be quenched metastably to a solid at ambient. The quantum nature of dense hydrogen is an issue both at high pressures and in materials recovered metastably on release of pressure. Quantum zero point vibrations of H might have a significant affect on properties of metallic H at high pressures and might adversely affect lifetimes of metastable solid hydrogen, which is particularly relevant for applications. Metallic (degenerate) fluid H has been made at finite temperatures with a reverberating shock wave under dynamic compressions and under static compressions in laser-heated diamond-anvil cells. The pressure-temperature (P–T) regime in those experiments ranged up to 180 GPa and 3000 K, in which metallic fluid H is a quantum-degenerate fluid with T/TF << 1, where TF is Fermi temperature. The lifetime of an experiment under static compression near 500 GPa at 5.5 K ranged up to weeks, sufficiently long to warrant concern about quantum diffusion having a major affect on the chemical composition of that metallic sample.

Ультраконденсований рідкий металевий водень отримано при високому тиску. Металевий водень мав би багато наукових та технологічних застосувань, якби міг залишатися в метастабільному стані при нормальних умовах. Питання про квантову природу щільного водню актуальне як при високому тиску, так і для матеріалів, які залишаються метастабільними при скиданні тиску. Квантові нульові коливання можуть істотно впливати на властивості металевого H при високому тиску і можуть несприятливо позначатися на часи життя метастабільного твердого водню, що особливо актуально для практичних застосувань. Металева (вироджена) рідина H була отримана при динамічному та статичному стисненні в умовах зворотної ударної хвилі в алмазній ковадлі, що нагрівається лазером.Тиск та температура в цих експериментах становили до 180 ГПа та 3000 К, при яких металева рідина Н являє собою квантово-вироджену рідину з Т/ТF << 1, де TF — температура Фермі. Час проведення експерименту при статичному стисненні близько 500 ГПа й температурі 5,5 К становив до декількох тижнів, що достатньо для спостереження квантової дифузії, яка має істотний вплив на хімічний склад цього металевого зразка.

Ультраконденсированный жидкий металлический водород получен при высоких давлениях. Металлический водород имел бы много научных и технологических применений, если бы мог оставаться в метастабильном состоянии при нормальных условиях. Вопрос о квантовой природе плотного водорода актуален как при высоких давлениях, так и для материалов, которые остаются метастабильными при сбросе давления. Квантовые нулевые колебания могут существенно влиять на свойства металлического H при высоких давлениях и могут неблагоприятно сказываться на временах жизни метастабильного твердого водорода, что особенно актуально для практических применений. Металлическая (вырожденная) жидкость H получена при динамическом и статическом сжатиях в условиях возвратной ударной волны в нагреваемой лазером алмазной наковальне. Давление и температура в этих экспериментах составляли до 180 ГПа и 3000 К, при которых металлическая жидкость Н представляет собой квантово-вырожденную жидкость с Т/ТF << 1, где TF — температура Ферми. Время проведения эксперимента при статическом сжатии около 500 ГПа и температуре 5,5 К составляло до нескольких недель, что достаточно для наблюдения квантовой диффузии, имеющей существенное влияние на химический состав этого металлического образца.