金属水素は「破壊」されようとしている

水素は宇宙で最も豊富な元素であり、周期表の最初の元素でもあり、第 1 主族に属します。

高校の化学では、最初の主要グループがリチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、フランシウムなどのアルカリ金属であり、これらはすべて非常に活性な金属であることを知っています。しかし、第一主族の最初の位置にある水素元素は、非金属特性を示すため、少し場違いです。

しかし科学者たちは、第一主族の元素である水素は金属的性質を持つ可能性があると考えている。

理論物理学者のユージン・ポール・ウィグナーは、1935年には早くも、圧力が上昇するにつれて（地球表面の大気圧の約400万倍）、固体水素は導体の特性を示し始め、つまり水素が電気を伝導できるようになると予測しました。

この予測に従って、世界中の科学者が金属水素の発見を試みてきましたが、理論を検証するのに十分な圧力を作り出すことは極めて困難です。

半世紀以上が経過した現在でも、科学者たちは金属水素の真の姿をまだ垣間見ることができていないが、フランス、米国、ドイツの多くの科学研究チームは水素の圧縮と高圧下における水素の特性の検出において大きな進歩を遂げている。

金属水素の初登場

ハーバード大学自然科学部の教授アイザック・シルベラ氏と博士研究員ランガ・ディアス氏が、地球上で最も価値のある物質である金属水素を発見したと発表したのは、2017年1月のことでした。

当該論文は1月26日付けのサイエンス誌に掲載された。

この極めて希少な物質を得るためには、通常の方法では絶対に不可能であるため、科学者はダイヤモンドアンビルセル（DAC）法を発明しました。

簡単に言えば、圧力とは、物体に加わる圧力と力が加わる面積の比です。加える圧力が限界に達したら、力を受ける面積を減らすことで圧力を高めることができます。

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シルバラとディアスはダイヤモンドの金床を使用しました。研究チームは超低温で、小さな水素サンプルをダイヤモンドアンビル（直径約50ミクロンのダイヤモンドの先端）に置き、赤外線を照射して水素の反射率を測定し、それが金属であるかどうかを判断した。継続的に外力を加えることで、2つのダイヤモンド間の圧力は最終的に495Gpaに達しました。

このような高圧下では、もともと黒色だった固体の水素が徐々に金属光沢を帯びるようになり、サンプルの反射率も黒色から高反射率へと変化したことに研究者たちは驚きました。これはまさに金属の特性です。

異なる圧力におけるサンプル水素の状態：透明、不透明、金属的

しかし、研究が発表された後、一部の科学者は、彼らが発見した金属光沢は金属水素からではなく、酸化アルミニウムから来ている可能性もあると疑念を呈した。なぜなら、実験前にシルバラのチームは、水素がダイヤモンドの結晶構造に拡散するのを防ぐために、ダイヤモンドの表面を酸化アルミニウムの層でコーティングしていたからである。

こうした疑問に直面したとき、反撃する最善の方法はもちろん実験データであるため、シルバラ氏のチームは金属水素のさらなる特性の観察を継続する準備をした。しかし、低出力レーザーを使用して圧力を測定すると、かすかな「カチッ」という音が聞こえた。これは、ダイヤモンドの 1 つがこのような高圧に耐えられず粉々に砕け散ったためであり、唯一の金属水素サンプルも消失したことを意味します。

金属水素の再出現

2年後、フランス原子力委員会のポール・ルベール率いる研究チームは、金属水素の存在をほぼ発見したと発表した。

欧州シンクロトロン研究所

この研究は、arXiv物理学プレプリントに初めて掲載され、6か月後に最新のNature誌に正式に掲載されました。

ハーバード大学のシルヴァラのチームと同様に、ルベールと彼のチームも「ダイヤモンドアンビル」法を使用しましたが、改良を加えて「リングダイヤモンドアンビル」と呼ばれる新しいダイヤモンドアンビルを設計しました。このダイヤモンドの先端は、ダイヤモンドが従来のように高圧で押しつぶされることがないように、より高い圧力に耐えられるように設計されています。

実験を通じて、ルベールはさまざまな圧力における水素サンプルの光の反射率を発見しました。

圧力が 1 GPa の場合、サンプルの水素は可視光と赤外光の両方に対して透明になります。

画像出典: Nature

圧力が300Gpaまで上昇すると、サンプルの水素は固体になり、可視光は通過できなくなります。固体水素を透過できるのは、可視光よりもエネルギーが低い赤外線だけです。

画像出典: Nature

圧力が425Gpaまで増加すると、固体水素の反射率は急激に増加します。このとき、可視光線も赤外線も透過しません。これは、この時点で固体水素がすべての光を遮断し、透明ではなくなることも意味します。

画像出典: Nature

研究者たちは、極度の圧力と低温下での固体水素の光反射率の不連続かつ可逆的な変化は、固体水素が金属水素に変化する強力な証拠であると考えています。

しかし、これは金属水素の出現の「確固たる証拠」とはなり得ません。実際、研究者たちは、自分たちが観察したものが金属水素であると主張してはいない。論文のタイトルが指摘しているように、彼らが発見したのは「固体水素が金属水素に変化する可能性がある」という証拠だった。

中央の赤い部分は、おそらく水素ではなくダイヤモンドの分子変化によって生じたものと思われます。

さて、金属水素の存在を本当に証明したいのであれば、高圧・低温下での水素サンプルの伝導性をテストするだけで済みます。水素サンプルが高いレベルの導電性を示すことができれば、基本的に金属水素の存在を証明することができます。

しかし、この状態で水素サンプルの導電率を測定することは、ダイヤモンドの先端を小さな電極に接続し、少量の固体水素と接触させる必要があるため、実現が困難であり、現状ではそのような正確な接続を行うことは困難です。

ルベールの実験はまだ「金属水素を生成した」といった決定的な科学的声明を出すことはできないが、この分野の科学者は一般的に、この実験結果が金属水素の生成を証明するほぼ決定的な証拠であると考えている。

おそらく今のところ、金属水素はダイヤモンドアンビルセル内でしか存在できないが、あと10年、あるいは20年もすれば、金属水素は太陽の下で明るく輝くようになるだろう。