Rất nhiều nhà vật lí trong các năm qua khẳng định rằng họ có thể biến hydrogen thành kim loại bằng cách nén nó cực mạnh, thế nhưng cho đến nay chưa có ai từng thuyết phục được các đối thủ hoài nghi. Nay các nhà nghiên cứu ở Pháp cho rằng cuối cùng họ đã tìm thấy bằng chứng thuyết phục cho sự biến đổi đó, họ vừa chế tạo các dụng cụ mới để điều áp và quan sát thấy các mẫu hydrogen tí hon. Song những người khác trong lĩnh vực vẫn còn nghi ngờ và cãi rằng dữ liệu hồng ngoại mà đội người Pháp báo cáo tự nó chưa phải là bằng chứng minh bạch – và rằng cái cần thiết là các phép đo về sự dẫn điện.
Các chuyên gia ít ai nghi ngờ rằng hydrogen sẽ trở thành kim loại khi chịu áp suất rất cao. Lí thuyết cho chúng ta biết rằng áp suất giải phóng electron ra khỏi sự giam cầm của từng nguyên tử hay phân tử, cho phép chúng chuyển động tự do trong vật liệu. Thật vậy, người ta đã quan sát thấy nhiều chất cách điện diễn ra sự chuyển tiếp như thế - chẳng hạn, hồi 20 năm trước người ta đã chứng minh rằng oxygen phân tử sẽ biến thành kim loại ở áp suất khoảng một triệu lần áp suất khí quyển (khoảng 100 GPa). “Không bàn cãi chi nữa, kim loại hydrogen phải tồn tại thôi,” Paul Loubeyre, Florent Occelli và Paul Dumas thuộc cơ quan năng lượng Pháp CEA viết trong một bài báo mới tải lên arXiv.
Hydrogen kim loại có thể có nhiều tính chất cuốn hút, trong đó có việc trở thành chất siêu dẫn ở nhiệt độ phòng. Nghiên cứu hành trạng của nó cũng có thể đưa đến những hiểu biết sâu sắc mới về các điều kiện bên trong Mộc tinh và các hành tinh khí khổng lồ khác, biết rằng chúng rất dồi dào hydrogen.
Synchrotron SOLEIL ở Paris
Cực kì khó khăn và gây tranh cãi
Thế nhưng việc tạo ra hydrogen kim loại tỏ ra cực kì khó khăn và gây tranh cãi. Kể từ khi nó được dự đoán vào năm 1935, các nhà nghiên cứu đã cố gắng tạo ra nó trong phòng thí nghiệm bằng cách nén những mẫu nhỏ khí hydrogen giữa đầu nhọn của hai viên kim cương. Những cái đe tí hon này có thể phân phối áp suất hàng trăm gigapascal, nhưng kết quả thường vẫn là mơ hồ. Vào năm 2016, hai nhà nghiên cứu tại Đại học Harvard ở Mĩ báo cáo tạo ra được hydrogen kim loại ở 500 GPa. Tuy nhiên, những người khác đặt vấn đề liệu đội nghiên cứu có thể thu được áp suất cao như thế hay không.
Loubeyre cùng các cộng sự chẳng phải người mới trong nghiên cứu này. Hồi năm 2002 họ đã sử dụng ánh sáng nhìn thấy để quan sát các biến đổi trong một mẫu hydrogen mà họ nén tới 320 GPa. Khi họ tăng thêm áp suất, họ thấy dải năng lượng điện tử của hydrogen rắn giảm tương ứng. Bằng cách ngoại suy đoạn đồ thị cho áp suất cao hơn họ phỏng đoán rằng nó sẽ đạt tới zero vào cỡ 450 GPa. Tại đây hydrogen sẽ trở thành kim loại vì các electron của nó sẽ tự do đi vào dải dẫn.
Để đạt tới áp suất này, đội nghiên cứu đã phát triển một tế bào đe “phỏng xuyến” trong đó các mẫu được nén giữa hai bề mặt phẳng nhỏ xíu được bao quanh bởi những vết lõm hình xuyến. Theo họ, cách này có thể tạo ra áp suất lên tới ít nhất 600 GPa. Họ còn thiết kế và chế tạo một kính hiển vi hồng ngoại có thể gắn cùng một bộ điều nhiệt lạnh bên trong bức xạ cường độ mạnh từ một nguồn synchrotron.
Đội nghiên cứu bố trí cái đe phỏng xuyến của họ, chứa hydrogen ở 80 K, và kính hiển vi vào một đường dẫn chùm tia tại synchrotron SOLEIL ở ngoại ô Paris. Ở áp suất khoảng 425 GPa, họ quan sát thấy ánh sáng hồng ngoại đi qua mẫu hầu như hoàn toàn bị hấp thu. Theo họ, đây là bằng chứng rằng dải năng lượng bị đóng lại. “Chúng tôi chỉ ra một chuyển tiếp pha bậc nhất ở gần 425 GPa từ hydrogen rắn phân tử cách điện sang thành hydrogen kim loại,” họ viết trong bài báo của mình.
Các nhà nghiên cứu khác hoan nghênh công trình mới nhất này nhưng một số người chưa bị thuyết phục hoàn toàn. “Tôi nghĩ bài báo ấy chứa đựng bằng chứng tốt cho sự khép kín dải năng lượng ở hydrogen,” phát biểu của Alexandre Goncharov tại Viện Khoa học Carnegie ở Washington. “Một số lí giải có thể chưa đúng, và một số dữ liệu có thể tốt hơn, nhưng nói chung tôi tin rằng công trình này có giá trị.” Tuy nhiên, ông cho rằng bằng chứng trên chưa chặt chẽ, rằng với một dải năng lượng hẹp nhưng khác zero thì hydrogen có thể trở thành một chất bán dẫn có dải năng lượng rất hẹp chứ chưa hẳn là kim loại.
Mikhail Eremets tại Viện Hóa học Max Planck ở Mainz, Đức, tán thành và cho rằng sự thu hẹp dải năng lượng chưa cấu thành “bằng chứng trực tiếp của sự kim loại hóa”. Theo ông, cái thật sự cần thiết là một số đo về sự dẫn điện của hydrogen. Ông cho biết thêm rằng ông cùng các cộng sự đã thực hiện một phép đo như thế hồi hai năm trước, họ chỉ ra được rằng hydrogen bắt đầu dẫn điện (giống như một “á kim”) ở khoảng 360 GPa và độ dẫn điện tăng mạnh theo áp suất. Họ còn đo quang phổ Raman để xác định xem hydrogen có ở trạng thái phân tử không. “Dữ liệu của chúng tôi có thể bổ sung cho dữ liệu hồng ngoại của nhóm Loubeyre,” ông nói, “nhưng [họ] đã hoàn toàn phớt lờ công trình này.”
Nghiên cứu được mô tả trong một bài báo đăng trên arXiv.
Nguồn: physicsworld.com
