Почему водород проводит ток: физики учли квантовые эффекты ядер

Физики из МФТИ, Объединенного института высоких температур РАН и итальянских научных центров исследовали плотный разогретый водород в условиях экстремальных давлений и температур. Ученые показали, что квантовые свойства атомных ядер заметно влияют на переход водорода из молекулярного состояния в проводящее. Полученные результаты помогают точнее описывать вещество в недрах планет-гигантов и других экстремальных средах. Работа опубликована в журнале Scientific Reports.

Плотный разогретый водород занимает особое место на фазовой диаграмме вещества. При давлениях в сотни гигапаскалей и температурах от сотен до тысяч градусов он может существовать в виде молекулярной жидкости, твердого тела или плазмы. Именно такие условия характерны для внутренних областей Юпитера, Сатурна и других гигантских планет.

Одной из главных нерешенных проблем остается природа перехода от молекулярной жидкости к проводящему немолекулярному состоянию. Во время этого процесса молекулы водорода распадаются, а вещество начинает проводить электрический ток. Многие теоретические модели предсказывают, что такой переход является фазовым переходом первого рода — подобно плавлению льда или кипению воды. Однако экспериментальные данные пока не позволяют сделать окончательный вывод.

«Наша основная мотивация — лучше понять природу перехода флюида водорода из молекулярной фазы в проводящее немолекулярное состояние при высоких давлениях и сравнительно низких температурах. Эта область фазовой диаграммы до сих пор остается предметом дискуссий: разные эксперименты и расчеты дают не полностью согласующуюся картину. Особенно интересен вопрос о том, является ли этот переход фазовым переходом первого рода», — рассказал Вячеслав Лукьянчук, младший научный сотрудник Центра вычислительной физики МФТИ, аспирант кафедры вычислительной физики конденсированного состояния и живых систем ЛФИ.

Чтобы разобраться в этом вопросе, исследователи решили учесть эффект, который часто оказывается в тени более заметных процессов, — квантовую природу протонов. В большинстве расчетов ядра водорода рассматриваются как классические частицы с точно определенным положением. В новой работе ученые описывали протоны как квантовые объекты, для которых важна так называемая делокализация — своеобразная «размазанность» положения в пространстве.

Такой подход оказался принципиально важным. Квантовая делокализация влияет на устойчивость молекул водорода, давление фазового перехода и структуру жидкости. Более того, она меняет саму картину перехода между состояниями вещества.

Одним из наиболее интересных результатов стало обнаружение сразу двух метастабильных состояний. Помимо метастабильной молекулярной ветви, которая уже наблюдалась в предыдущих расчетах, исследователи выявили и метастабильную проводящую немолекулярную ветвь.

Метастабильная молекулярная ветвь соответствует области параметров, где водород еще сохраняет структуру молекул H₂, хотя такое состояние уже не является наиболее выгодным с энергетической точки зрения. Аналогично метастабильная проводящая ветвь описывает ситуацию, когда вещество остается в немолекулярном состоянии даже там, где система могла бы вернуться к молекулярной фазе.

Особенно важно, что в более ранних моделях с классическим описанием ядер проводящая метастабильная ветвь не появлялась. Ее возникновение при учете квантовых эффектов свидетельствует о том, что роль протонов в этом процессе значительно глубже, чем считалось ранее.

Еще один результат касается влияния квантовой природы ядер на термодинамические свойства системы. Расчеты показали, что квантовые эффекты действуют примерно как дополнительный нагрев вещества на величину около 300 кельвинов. Иначе говоря, система с квантово делокализованными протонами при температуре 700 K во многих отношениях ведет себя так же, как система с классическими протонами при температуре порядка 1000 K.

«Наличие двух метастабильных ветвей само по себе не является абсолютно строгим математическим доказательством фазового перехода первого рода, особенно в численных моделях конечных систем. Однако это очень сильный физический аргумент в пользу такого сценария. В нашей работе вывод основан на совокупности признаков: особенностях изотерм, резком изменении структуры вещества, росте электропроводности, наличии скрытой теплоты и существовании двух метастабильных ветвей. Поэтому мы рассматриваем полученные результаты как серьезное свидетельство в пользу фазового перехода первого рода, хотя подчеркиваем, что точное положение фазовой границы зависит от используемого метода моделирования», — пояснил Николай Кондратюк, исполнительный директор Центра вычислительной физики МФТИ.

Исследование помогает лучше понять поведение самого распространенного элемента во Вселенной в экстремальных условиях. Оно показывает, что при описании плотного водорода квантовыми свойствами ядер нельзя пренебрегать даже тогда, когда основное внимание обычно уделяется электронам.

Полученные результаты могут использоваться для уточнения моделей внутреннего строения планет-гигантов, где водород составляет основную часть вещества. Кроме того, работа важна для фундаментальной физики высоких давлений и разработки более точных моделей вещества в экстремальных состояниях.

«Следующий этап исследований связан с уточнением положения фазовой границы с использованием современных машинно-обученных потенциалов. Нас также интересует динамика распада метастабильных состояний: как именно молекулярный водород переходит в проводящее состояние, какие промежуточные структуры возникают в процессе и как меняется электропроводность во времени», — отметил Вячеслав Лукьянчук.

Источник: Ученые показали, как квантовые эффекты ядер влияют на переход водорода в проводящее состояние — За науку