Ученые показали, как квантовые эффекты ядер влияют на переход водорода в проводящее состояние

Разогретый плотный водород — это область фазовой диаграммы водорода, в которой он может находиться в разных состояниях: молекулярной жидкости, твердого тела или плазмы — в зависимости от внешних условий. Эти состояния достигаются при высоких давлениях (сотни гигапаскалей) и температурах (сотни и тысячи градусов). В похожих условиях водород существует в ядрах планет-гигантов. До сих пор ученые точно не определили природу перехода из молекулярной жидкости в проводящую, сопровождающегося распадом молекул. Теоретические модели часто говорят о том, что это переход первого рода, в то время как эксперименты не дают однозначного ответа.

«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 спорной: разные эксперименты и расчеты дают не полностью согласующуюся картину. Особенно интересен вопрос, является ли переход фазовым переходом первого рода», — рассказал Вячеслав Лукьянчук, младший научный сотрудник Центра вычислительной физики МФТИ, аспирант второго года кафедры вычислительной физики конденсированного состояния и живых систем ЛФИ.

Чтобы решить эту проблему, физики учли влияние квантовых эффектов ядер водорода. В компьютерном моделировании они рассматривали протоны не как классические частицы, а как квантовые объекты. В этом случае большую роль начинает играть «пространственная размазанность» протона — эффект, влияющий на устойчивость молекул, давление перехода и структуру жидкости. Статья опубликована в журнале Scientific Reports.

Одним из главных результатов исследования стало то, что авторы получили не только метастабильную молекулярную ветвь, но и метастабильную проводящую немолекулярную ветвь. Метастабильная молекулярная ветвь — это часть изотермы, где водород еще сохраняет молекулярную структуру Н2, хотя при заданных давлении и температуре такое состояние энергетически уже неустойчиво. Это особенно интересно, потому что в более ранних расчетах с классическими ядрами проводящая метастабильная ветвь не наблюдалась.

Кроме того, результаты моделирования показали, что влияние квантовых эффектов ядер можно рассматривать как эффективный температурный сдвиг примерно на 300 K. То есть система с делокализованными протонами при 700 K ведет себя примерно похоже на систему с классическими протонами при 1000 K.

«Наличие двух метастабильных ветвей само по себе не является абсолютно строгим математическим доказательством фазового перехода первого рода, особенно в численном моделировании систем конечного размера. Однако это очень сильный физический аргумент в пользу такого перехода.

В нашей работе картина складывается именно из совокупности признаков: плато или слабый скачок на изотермах, резкое изменение структуры, рост электропроводности, наличие скрытой теплоты и две метастабильные ветви. Поэтому мы рассматриваем эти результаты как весомое подтверждение перехода первого рода, но аккуратно подчеркиваем, что положение фазовой границы и количественные параметры зависят от выбранного метода моделирования», — пояснил Николай Кондратюк, исполнительный директор Центра вычислительной физики МФТИ.

Исследование раскрывает природу поведения одного из самых простых элементов — водорода — в экстремальных условиях. Самый важный момент, который отмечают ученые, заключается в том, что при описании этого вещества нельзя игнорировать квантовые эффекты ядер. Полученные результаты позволят улучшить модели внутреннего строения планет-гигантов, таких как Юпитер, а также усовершенствовать модели вещества в экстремальных условиях.

«Дальше мы хотим уточнить количественное положение фазовой границы в рамках машинно-обученного потенциала. Также нам интересно глубже изучить динамику распада метастабильных состояний: как именно молекулярный водород переходит в проводящее состояние, какие кластеры или промежуточные структуры возникают, как меняется проводимость во времени», — поделился Вячеслав Лукьянчук.