Введение
Еще в 1935 году появилась классическая работа Е.Вигнера и Х.Хантингтона, в которой они впервые предположили, что водород при высоких давлениях из газа-диэлектрика превратится в проводящий металл. По их расчетам твердый металлический водород должен был иметь объемно-центрированную решетку (при 0 К и нулевом давлении), а его плотность при тех же условиях должна быть существенно выше плотности твердого молекулярного водорода (0,59 г/см3 вместо 0,089 г/см3).
Превращение, по мнению авторов, должно было произойти при давлении примерно 250 тыс. атм, а кроме того, они полагали, что для перехода нужны зародыши новой фазы.В 1968 году Н.Ашкрофт предсказал, что металлический водород будет обладать совершенно необычными свойствами, например сверхпроводимостью при высоких температурах (больше 200К). Более того, ученые предположили, что металлический водород будет существовать в виде жидкости. Это еще больше подогрело любопытство исследователей. Проблему сжатого водорода внесли в список наиболее важных задач физики твердого тела [1].
Пик исследований металлического водорода пришелся на 60-70-е годы прошлого столетия. Эта проблема была интересна, в частности, астрофизикам. Солнце и тяжелые планеты (Юпитер, Сатурн) более чем на 90% состоят из водорода [2]. Кроме того, ученые предполагают, что, поскольку на Юпитере довольно низкая температура (100-200К) и сильное магнитное поле, то, если водород там находится в металлической фазе и проявляет свои сверхпроводящие свойства, это должно привести к множеству интересных явлений. Но самое интересное то, что проблема сверхпроводящего металлического водорода, возможно, вовсе не теоретическая, а вполне прикладная.
В 1971 году появились работы наших теоретиков (группа Ю.Кагана), которые доказывали, что металлический водород может оказаться метастабильным. Это значит, что после снятия высокого давления водород не превратится снова в газ-диэлектрик, а останется металлом. Вопрос в том, будет ли время существования такой метастабильной фазы достаточным, чтобы измерить ее свойства и успеть ее применить.
Хорошо известный пример – искусственный алмаз (метастабильная фаза углерода, в которую превращается стабильная фаза графит). Время жизни метастабильного алмаза так велико, что человечество применяет его не одно десятилетие.
О высоком давлении
Давление порядка сотен ГПа возможно получить с помощью алмазных наковален. Конструкция ячейки с алмазными наковальнями предполагает наличие двух алмазов конической формы, передающих сжимающее усилие на рабочие площадки диаметром менее миллиметра. С учётом современных способов нагрева образца метод алмазных ячеек не имеет аналогов по доступному диапазону температур и давлений.
Основной деталью ячейки являются алмазные наковальни. Для их изготовления используются как природные, так и искусственные алмазы без видимых дефектов. При этом для спектроскопии комбинационного рассеяния (рамановской) подбираются алмазы без люминесценции, а для инфракрасной спектроскопии пригодны только безазотные алмазы. Поскольку алмазы II типа крайне редки в природе (не более 2 % от общего числа), для изготовления алмазных наковален широко используются алмазы искусственные. Кроме того, считается, что наковальни из искусственных алмазов, свободных от внутренних напряжений и дефектов, отличаются большей долговечностью. Кристаллографическая ориентировка алмаза наковальни также играет существенную роль: в силу совершенной спайности алмаза по октаэдру наибольшую устойчивость демонстрируют наковальни, рабочая площадка которых параллельна плоскости (100).
Огранка алмазных наковален во многом сходна с огранкой обычных ювелирных алмазов. Из всех её деталей наибольшее влияние на диапазон давлений, доступных для наковальни, оказывает диаметр рабочей площадки или калетты (англ. culet). Чем меньше эта величина, тем большие давления могут быть созданы наковальней без риска её разрушения. Так, для создания давлений до 20 ГПа используются наковальни с диаметром калетты 0,6—0,8 мм, тогда как для генерации давлений, превышающих 100 ГПа, диаметр калетты не должен превышать 0,1—0,2 мм.
Отдельным достижением в дизайне алмазных наковален является технология подведения электродов к рабочей площадке. Для этого на поверхность алмаза методом литографии наносится тонкий слой металла заданной конфигурации. Затем происходит наращивание алмаза путём эпитаксиального роста из газовой фазы. Полученный слой толщиной в несколько десятков микрометров покрывает металлические электроды, «запечатывая» их внутри наковальни. Модифицированные таким образом наковальни используются в экспериментах по изучению таких физических свойств, как электрическое сопротивление и магнитная восприимчивость, а также для нагрева образца.
Следует отметить, что алмаз — не единственный материал, пригодный для изготовления наковален ячеек высокого давления. На сегодняшний день известен ряд альтернативных материалов, хоть и уступающих алмазу по диапазону достижимых давлений, но гораздо более дешёвых. Наиболее широкое распространение среди них получили синтетический сапфир, муассанит и фианит.