Wigner-Huntingon Kristali ve Metal Hidrojen

Hidrojen, metal olabilir mi? Oksijeni sıkıştırırsak metal olur mu? Peki, benden borç para istesen, geri vermesen, ben de almak için soramasam, ima etmeye çalışsam, anlamasan, sonuç olarak sıkışsam, bunalsam, sonunda metal olur muyum?

Bunların hepsinin cevabı evet. Ama benden beş lira istersen vermem.

Eugene Wigner, halen kullanılan kristal yapılarını bulduktan sonra [1,2] aynı modelde şöyle basit bir problem düşündü: Hidrojen atomları alalım ve adeta kristalmiş gibi, küp şeklinde dizelim. Bu küpün köşelerinde ve tam ortasında birer hidrojen atomu olsun. Bu küpü soğutalım ve sıkıştıralım, sıkıştıralım, hidrojen atomları molekül olsunlar. Wigner, bu aşırı basınçlarda hidrojen moleküllerinin bir elektronlarını paylaştıklarını ve bu halin enerjisinin, H\(_2\) molekülünün enerjisinden daha düşük olduğunu, yani bildiğimiz H\(_2\) halinde kalamadıklarını buldu. Bu aşırı basınçtaki halde serbest elektronların enerjisi iletkenlik seviyesine kadar çıktığından, bu haldeki moleküller gerçekten elektriği iletir; yani basitçe, metal hale geçer [3].

Eugene Wigner

Bu kristal hale geçmiş hidrojende, iki hidrojen atomu arasındaki ortalama uzaklık ile tüm yoğunluğu bulabiliriz. Bağ kurmak için gereken ortalama uzaklık ise bu atomlar arası uzaklıktan farklı bir şey. Bu “kristal hidrojen”i çok çok yüksek basınçlarla sıkıştırırsak yoğunluk artıyor ve ortalama uzaklık, etkileşim için gereken uzaklığa çok yaklaşıyor. Belli bir limitten sonra hidrojen molekülü hal değiştiriyor.

Wigner’in küp kristal şeklinde düşündüğü çok yüksek basınç altında metalik Hidrojen molekülleri (iki mavi nokta). Basıncı arttırdıkça bir elektronu kaybediyorlar ve metal hale geçiyorlar.

Bunu şu şekilde düşünebilirsiniz: İki eliniz var (1S orbitali, iki elektron alabilir), birinde tenis topu tutuyorsunuz. Yanınıza gelen biriyle el ele tutuşup topları paylaşıyorsunuz, kovalent bağ ile molekül oluşturdunuz ve bu kişi ile paylaştığınız için artık iki elinizde de top var. Şimdi biri geldi ve ikinizi birbirinize çok çok yaklaştırdı. Bir topu halen beraber tutuyorsunuz fakat artık diğer top elinizden fırladı, beraber tutamadınız. İkinizin toplam bir topu var ve diğer top etrafta olanca enerjisiyle, Deli Dumrul gibi geziyor, işte iletken hale geçtiniz!

Sonradan Wigner’in bu fikrinin nötron yıldızlarının yapısını açıklayabileceği düşünüldü. Nötron yıldızlarının ortasında devasa basınç olduğundan, nötronların benzer bir kristal yapısına geçtiği düşünülüyor. Wigner başlangıçta hidrojen için düşünmesine rağmen, fermiyonik herhangi bir ortamda bu garip kristal yapı oluşabilir. Yani başka bir elementi de, prensipte, iletken hale getirebilirsiniz! Hidrojen için hesaplamak bile hali hazırda bu kadar zorken diğer elementlerin hangi koşullarda iletken hale geçeceğini düşünmek bile istemiyorum. Fermiyon olduklarından, nötronlar elektron paylaşıp bir bağ oluşturmak yerine, nötron spinlerinin etkileşimi yüzünden birbirlerini çekiyorlar. Eğer çok çok sıkıştırırsak, Pauli Amca’nın (yani, Nobel Fizik Ödüllü Wolfgang Pauli, bizim sektörde kendisine amca deriz) ön gördüğü üzere, bir noktadan sonra birbirlerini istemiyorlar ve dengeye ulaşıp kristal yapıya geçiyor. Bu tamamen kuantum etkilerden kaynaklanan bir hal, klasik fizikle açıklanamaz.

Peki bu metalik hidrojenin önemi ne? Çok düşük sıcaklıklarda ve çok yüksek yoğunluklarda iletken olduğundan, yüksek sıcaklıklardaki süperiletkenleri anlamamıza yardımcı olacağı düşünülüyor. Ayrıca, Jüpiter ve Satürn gibi gaz devlerinin merkezinde metalik hidrojen olduğu düşünülüyor. Onu bırakın, iletken hidrojen yapıyorsunuz. Ya hidrojen metal oldu yahu, daha ne olsun ki?!

Teori açık olmasına rağmen, bu hali deneysel olarak halen bulmuş değiliz. Wigner bile bu hal için gereken basıncı bayağı düşük buldu. Sonraları daha hassas hesaplamalar yapıldı ve gereken basıncın çooook çok daha fazla olduğu anlaşıldı. Dahası, bu hale erişmek için sıcaklığı çook çok düşük tutmak gerekiyor. Şırınganın ağzını parmakla kapattıktan sonra sıkıştırın, gazın nasıl ısındığını fark edeceksiniz. Çooook çok yüksek basınç, aynı zamanda çooook çok düşük sıcaklık… Bol şans…

Ekim’de Arxiv’e koyulan [4] ve bu ay Science’da yayımlanan [5] bir makaleye göre, iki fizikçi bu hali gözlemlediklerini söylüyorlar. Gözlemlemek için ulaştıkları basınç 495 milyar Pascal. Karşılaştırma yapmak için, atmosferik basıncının yaklaşık 101 bin Pascal olduğunu söylemeliyiz. Hidrojeni 15 K (-258 C) soğuttuktan sonra alüminyum oksit ile kaplanmış iki elmas arasında tutuyorlar ve basıncı ver Allah veriyorlar. Sonra da, metal olduğunu göstermek için bu malzemenin yansıtıcılığını kullanıyorlar. Bu deneylerde, sıkıştırma sonucu sıcaklıklarının 83 K (-190 C) ve 5,5 K (~-268 C) arasında olduğunu görüyorlar.

Makalenin yetersiz olduğunu düşünüyorum. Hidrojenin metal olduğunu göstermek için bir kıstas “bak kızılötesi lazeri, LED ışığı yansıtıyor,” demek olabilir, ancak bu tek kıstas değil. Ayrıca bu yansıtıcılığın alüminyum oksit kaplamadan kaynaklanıp kaynaklanmadığının cevabı makalede verilmemiş. Aşırı basınçlarda alüminyum oksit kaplama çok farklı davranabilir, bunun kontrolü yapılmamış. Sonuçta bu deneyde iletkenliği göstermek zor bir test, iletkenliğin koyulmaması normal. Ancak metal olduğunu göstermek için, iletkenlikten gayrı birçok termodinamik test yapılabilir (sıkışabilirlik, özgül ısı, hal yoğunluğu) ve metal olduğu gösterilebilir. Makalede bu sorulara yer verilmemiş.

Kısacası, metal hidrojen bulmak fikri eğlenceli ve güzel olsa da, bu grup yeni testlerini yapıp göstermeden metal hidrojen bulunduğunu söylemek için erken.

Görsel: Makaledeki gördüklerini söyledikleri metalik hidrojen (en sağda). Hatırlatma, bu fotoğraf iPhone ile çekilmiş. iPhone… Bildiğin iPhone evet…

Bilgecan Dede.

[1] E. Wigner and F. Seitz, Phys. Rev. 43, 804 (1933)
[2] E. Wigner and F. Seitz, Phys. Rev. 46, 509 (1934)
[3] E. Wigner and H. B. Huntington, The Journal of Chemical Physics 3:12, 764-770 (1935)
[4] Ranga Dias, Isaac F. Silvera, arXiv:1610.01634 [cond-mat.mtrl-sci] (2016)
[5] Ranga Dias, Isaac F. Silvera, DOI: 10.1126/science.aal1579

Bir Cevap Yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir

45Shares