Superatomic hydrogen: achieving effective aggregation of hydrogen atoms at pressures lower than that of metallic hydrogen

يعد الهيدروجين العنصر الأكثر شيوعاً في الكون، ومع ذلك، فإنه في الظروف التي نعيشها كل يوم، يوجد كغاز مكون من أزواج من الذرات التي تطفو بحرية. ولما يقرب من قرن من الزمان، تساءل العلماء عما يحدث عندما يُضغط هذا الغاز بقوة هائلة. تشير النظرية إلى أنه إذا تم تطبيق ضغط كافٍ، فإن الروابط التي تمسك أزواج الهيدروجين معاً ستتكسر، مما يجبر الذرات على الدخول في حالة صلبة حيث تتحرك إلكتروناتها بحرية. هذه الحالة، المعروفة باسم الهيدروجين المعدني، ستتصرف مثل المعدن ويمكن أن تحدث ثورة في إنتاج الطاقة من خلال جعل الاندماج النووي المتحكم فيه أسهل في التحقيق. ومع ذلك، فقد ثبت أن إنشاء هذه الحالة في المختبر أمر صعب للغاية. فالضغط المطلوب لإجبار الهيدروجين العادي على اتخاذ هذا الشكل المعدني شديد للغاية — فهو أكبر بمئات المرات من الضغط الموجود في مركز الأرض — مما جعله بعيد المنال لعقود من الزمن، رغم العديد من المحاولات.

اقترح فريق من الباحثين في جامعة جيلين مساراً مختلفاً للوصول إلى هذه الحالة المراوغة، وهو مسار لا يتطلب ضغط كتلة من الهيدروجين حتى تصبح معدناً. فبدلاً من محاولة ضغط كمية كبيرة من الهيدروجين دفعة واحدة، ركزوا على ترتيب دقيق وصغير يتكون من ثلاث عشرة ذرة هيدروجين فقط. لقد تخيلوا بنية حيث تجلس ذرة هيدروجين واحدة في المركز، محاطة بغلاف من اثنتي عشرة ذرة أخرى، لتشكل قفصاً. وباستخدام محاكاة حاسوبية قوية لنمذجة كيفية سلوك هذا التجمع الصغير تحت الضغط، اكتشفوا أن هذا الترتيب المحدد يمكنه تحقيق حالة شبيهة بالمعدن عند ضغوط أقل بكثير مما كان يُعتقد سابقاً أنه ممكن. وتشير الدراسة إلى أنه من خلال تنظيم ذرات الهيدروجين في هذه التجمعات الصغيرة والمستقرة، قد يكون من الممكن إنشاء مادة تشترك في الخصائص الإلكترونية الرئيسية للهيدروجين المعدني دون الحاجة إلى قوى السحق التي استعصت على العلماء لفترة طويلة.

بدأ الباحثون ببناء نموذج لهذا التجمع المكون من ثلاث عشرة ذرة، والذي أطلقوا عليه اسم H13، ثم قاموا بمحاكاة عملية ضغطه بشكل أكثر إحكاماً وتتابعاً. وراقبوا عن كثب كيف ستتفاعل الإلكترونات، التي عادة ما تبقى قريبة من ذراتها، مع هذا الضغط. في البداية، عندما كانت الذرات متباعدة، ظلت الإلكترونات موضعية، ملتصقة ببيوتها الفردية. ولكن مع تناقص المسافة بين الذرة المركزية والغلاف المحيط بها، حدث تغير مذهل. بدأت ذرة الهيدروجين المركزية في التخلي عن إلكترونها، وبدأ هذا الإلكترون، جنباً إلى جنب مع الإلكترونات الأخرى من الذرات المحيطة، في الانتشار لتغطية التجمع بأكمله. وقد خلق هذا حالة تتحرك فيها الإلكترونات بحرية عبر الهيكل بأكل، وهو السلوك الذي يميز المعدن. ووجد الباحثون أن هذا التحول حدث عندما تم ضغط التجمع إلى نصف قطر يبلغ حوالي 1.9 أنغستروم، وهي مسافة صغيرة جداً تُقاس بأجزاء من المليار من المتر.

إن ما يجعل هذا الاكتشاف مهماً هو مقدار القوة المطلوبة لتحفيز هذا التغيير. فقد أظهرت عمليات المحاكاة أن الضغط اللازم لدفع تجمع H13 إلى هذه الحالة الجديدة غير الموضعية كان أقل بنحو مرتبتين عشريتين من الضغط اللازم لإنشاء الهيدروجين المعدني التقليدي. وبينما قد يتطلب إنشاء الهيدروجين المعدني من مادة ضخمة ضغوطاً تتجاوز 500 جيجاباسكال، حقق هذا التجمع "فائق الذرة" حالة إلكترونية مماثلة عند ضغوط منخفضة تصل إلى 6.2 جيجاباسكال. ولوضع ذلك في سياقه، فإن الضغط المطلوب يضاهي ما يوجد في أعماق الأرض، بدلاً من المستويات القصوى المستحيلة المطلوبة للمادة الضخمة. وقد أكد الباحثون أن هذه الحالة "فائقة الذرة" كانت مستقرة وأن الإلكترونات كانت بالفعل غير موضعية، مما يعني أنها مشتركة عبر الجزيء بأكمله بدلاً من الانتماء إلى ذرة واحدة. ويحاكي هذا السلوك خصائص الهيدروجين المعدني، مما يشير إلى أن التجمع يعمل كذرة واحدة عملاقة لها هيكلها الإلكتروني الفريد.

كما استكشف الفريق ما إذا كان هذا التأثير فريداً من نوعه في الشكل الكروي المثالي لنموذجهم أم أنه سيصمد في ظل ظروف أقل مثالية. فقد اختبروا تنويعات على التجمع، بما في ذلك الأشكال التي تم تمديدها لتصبح بيضاوية، وتجمعات مكونة من اثنتي عشرة ذرة فقط بدون مركز. وفي كل حالة، أشارت عمليات المحاكاة إلى أن هذه الهياكل لا تزال قادرة على تحقيق حالة فائقة الذرة عند ضغوط أقل بكثير من تلك المطلوبة للهيدروجين المعدني الضخم. وبينما اختلف الضغط الدقيق قليلاً اعتماداً على شكل التجمع وتماثله، إلا أن الاتجاه ظل واضحاً: تنظيم الهيدروجين في هذه الأقفاص المحددة يخفض حاجز الدخول لإنشاء حالة شبيهة بالمعدن. وأشار الباحثون إلى أنه بينما تطلب تجمع H13 مع الذرة المركزية أقل قدر من الضغط، فإن التكوينات الأخرى لا تزال توفر مساراً واعداً أكثر سهولة من الطرق الحالية.

لا يدعي هذا العمل أنه قد حل مشكلة إنشاء الهيدروجين المعدني للاستخدام الفوري في مفاعلات الاندماج. بدلاً من ذلك، فإنه يقدم إطاراً نظرياً جديداً واستراتيجية محتملة لتحقيق الظروف اللازمة. وتسلط الورقة الضوء على عقبة علمية رئيسية لا تزال قائمة: وهي كيفية بناء هذه الأقفاص الصغيرة من الهيدروجين واحتوائها في تجربة واقعية. تُظهر عمليات المحاكاة أن الفيزياء تعمل، لكن التحدي الآن يكمن في هندسة نظام يمكنه حبس ذرات الهيدروجين في هذا الترتيب المحدد والحفاظ على الضغط اللازم. وإذا تمكن العلماء من إيجاد طريقة لبناء هذه الأقفاص، ربما باستخدام مواد أخرى لتثبيت الهيدروجين في مكانه، فقد يفتح ذلك الباب لدراسة خصائص الهيدروجين المعدني دون الحاجة إلى أكثر الضغوط تطرفاً في الكون. وتشير الدراسة إلى أن الطريق لفك أسرار الهيدروجين المعدني قد لا يكون من خلال القوة الغاشمة، بل من خلال الترتيب الذكي للذرات في تجمعات فائقة الذرة ومستقرة.