Sứ mệnh 80 năm trời chứng minh Hydro có thể dẫn điện sắp đi đến hồi kết

Hơn 80 năm trước, nhà vật lý học Eugene Paul Wigner dự đoán rằng: ở một mức nhiệt độ và áp suất nhất định, hydro - nguyên tố có nhiều nhất trong Vũ trụ - có thể mang tính chất kim loại để dẫn được điện. Ta tin lời nhà khoa học đoạt giải Nobel Vật lý này, và liên tục đi tìm câu trả lời hòng tìm ra một vật liệu dẫn điện mới.

Nhiều khả năng ta đã thành công.

Một nhóm các nhà nghiên cứu tại Pháp vừa đăng tải một nghiên cứu mới lên arXiv, mô tả sự hình thành của hydro tính kim loại dưới mức áp suất cao hơn cả sức ép có trong lõi Trái Đất. Trong suốt nhiều năm, đã có một số nơi khẳng định đã khám phá ra được trạng thái vật chất đặc biệt này của hydro nhưng đều nhận về những ánh mắt nghi ngờ. Nhưng lần này, nhiều chuyên gia tự tin nhận định hydro mang tính kim loại đã xuất hiện.

Eugene Paul Wigner.

Đúng như cái tên của nó, trạng thái đặc biệt của hydro cho phép nó có những tính chất của kim loại. Trong nghiên cứu mới, các nhà khoa học khẳng định sự tồn tại của hydro tính kim loại là “không thể bàn cãi”, nhờ một đặc tính có tên “giam hãm lượng tử - quantum confinement”: khi ngăn chuyển động electron đến một mức nhất định, các đặc tính điện từ và quang học của vật chất sẽ biến đổi nhờ các định luật của cơ học lượng tử.

Theo nghiên cứu mới, ở một áp suất nhất định, bất kỳ chất cách điện nào cũng có khả năng biến thành kim loại dẫn điện; ví dụ như oxy biến thành “kim loại” ở 100 GPa - mức áp suất cao hơn mức áp suất không khí đang ở quanh ta khoảng một triệu lần.

Bởi nhiều lý do khác nhau, việc khám phá ra hydro tính kim loại có ý nghĩa lớn. Hiển nhiên nhất, ta có bằng chứng về sự tồn tại vật liệu này. Bên cạnh đó là khả năng truyền điện mà không tăng nhiệt độ, đồng nghĩa với việc ta có siêu dẫn tại nhiệt độ phòng. Đã từ lâu, ngành vật lý đã tìm kiếm một vật liệu như thế, thứ có thể cách mạng hóa đồ điện tử.

Một ý nghĩa nữa mà bạn không ngờ tới: có những hành tinh chứa một lượng lớn hydro trong vỏ. Bằng việc nghiên cứu hydro dưới áp suất cao, ta có thể có cái nhìn kỹ hơn vào những hành tinh khí gas đó - những "gas giant".

Sao Mộc là một trong những "gas giant" thân thuộc nhất.

Nhóm nghiên cứu, dẫn đầu là chuyên gia Paul Loubeyre đang công tác tại Ủy ban Năng lượng Nguyên tử Pháp cho thấy phân tử hydro dạng rắn tồn tại khi nén khí hydro giữa hai mũi kim cương, với áp lực lên tới 310 GPa. Đội ngũ tiếp tục tăng áp suất và phân tích cách vật chất hấp thụ bức xạ hồng ngoại phát ra từ máy gia tốc SOLEIL.

Tại mức 425 GPa và 0 độ K - mức nhiệt độ mà tại đó, vật liệu có lượng nhiệt thấp nhất, hydro bỗng dưng hấp thụ toàn bộ bức xạ hồng ngoại. Thí nghiệm này cho thấy việc làm rắn vật liệu không cần tới năng lượng đầu vào, vốn được dùng để đưa electron sang trạng thái khác.

Nói một cách đơn giản: các nhà khoa học khẳng định họ đã ép khí hydro chặt đến nỗi hiệu ứng lượng tử cho phép các electron trong hydro chảy qua vật liệu, như cách chúng di chuyển qua kim loại vậy.

Theo báo cáo nghiên cứu, có hai yếu tố độ phát cho phép thử nghiệm thành công:

- Một hệ thống kính hiển vi hồng ngoại mới cho phép theo dõi tính chất hydro dưới mức áp lực khổng lồ.

- Hai đầu kim cương dùng để ép hydro có cấu trúc của một cuộn cảm (toroid). Điều này cho phép các nhà khoa học có thể vượt giới hạn 400 GPa trước đây, Cái “đe kim cương” có hình dáng tương tự thế này đây.

Cần phải nhấn mạnh rằng nghiên cứu mới vẫn chưa được các cơ quan khoa học trong ngành phân tích kỹ lưỡng (chưa được peer-review), tức là chưa khẳng định được kết quả ghi trong báo cáo là đúng. Năm 2012, đã có đội ngũ tuyên bố khám phá ra hydro có tính kim loại nhưng rồi cũng phải xin lỗi vì chưa khẳng định được.

Nhưng ta có lý do để tin vào lần thử nghiệm mới. Nhà vật lý học Maddury Somayazulu làm việc tại Phòng Thí nghiệm Quốc gia Argonne, người không tham gia vào thử nghiệm, nói: “Tôi nghĩ đây là khám phá xứng đáng nhận được giải Nobel. Bản chất của hydro mang tính kim loại thì vẫn thế, nhưng đây là nghiên cứu toàn diện nhất về hydro nguyên chất”.

Một nhà vật lý học khác, ông Alexander Goncharov tới từ Phòng thí nghiệm Địa Vật lý học, cũng tự tin về kết quả nghiên cứu mới. “Tôi nghĩ báo cáo chứa những bằng chứng rất thuyết phục về hydro mang tính kim loại”, ông nói, “có đôi chỗ hơi sai và một số dữ liệu đáng lẽ có thể chính xác hơn, nhưng nhìn chung, tôi tin vào kết quả khả quan”.

Theo những nguồn đáng tin cậy, toàn giới khoa học đang rất lạc quan vào nghiên cứu mới. Thế nhưng giới khoa học vẫn phải kiểm tra kỹ lưỡng mọi con số được trình bày trong bản báo cáo trước khi mua đồ nhắm về ăn mừng.