史上初、水素の金属化に成功? 今度こそ本当っぽい

  • 41,247

  • author Ryan F. Mandelbaum - Gizmodo US
  • [原文]
  • 福田ミホ
史上初、水素の金属化に成功? 今度こそ本当っぽい
Image: Loubeyre et al (arXiv 2019)

物理界のはぐれメタル捕獲で、人類の経験値が爆上がりするかも。

80年以上前、物理学者のユージン・ウィグナーが、水素に特定の温度と圧力をかけると金属になりうる、と予測しました。水素って目に見えない気体のイメージですが、それが金属になるっていうコンセプトがメタルスライムっぽくていいですね。その後数々の研究者が金属水素の生成に挑戦してきたのに誰も見つけられてないっていう意味では、はぐれメタルといったほうがいいかもしれません。

が、ついに今、ある研究チームがそれに成功した…のかもしれません。フランス原子力庁のPaul Loubeyre氏を中心とする研究チームが、液体水素に地球の核内部以上の圧力をかけた実験結果についての論文をarXivにポストしました。Loubeyre氏らは、液体水素に今までにない高い圧力を与えることで、金属のような性質を呈したと言っています。

ただこれまでにも、たとえば2017年にハーバード大学の研究チームが、その前には2012年にドイツのマックス・プランク研究所のチームが、金属水素の生成成功を主張していましたが、どちらもわりと懐疑的な反応をされていて、その主張の正しさも確認できていません。でも専門家の中には、今回こそは本物だと考えている人たちもいます。

金属水素ってすごいの?

金属水素とはその名の通り、水素が金属の特性を有する状態です。Loubeyre氏らの論文によれば、金属水素は「議論の余地なく」存在するはずで、その根拠となるのは「量子閉じ込め効果」という現象です。量子閉じ込め効果とは、電子の動きを十分に制限すると、物質の電気的・光学的特性が量子力学の法則によって変化するという現象です。

なので論文では、十分高い圧力を加えれば、どんな絶縁体でも電気を通す金属になるはずだとしています。たとえば酸素は、地球の海抜での気圧の約100万倍となる100GPa(ギガパスカル)の圧力で金属になることが20年ほど前に証明されています。

もし本当に金属水素が発見されたとしたら、いくつかの理由ですごく楽しみなことになります。まず、そんなはぐれメタルみたいな物質の存在が実証されることだけでも胸熱なんですが、金属水素は熱を発生させずに電気を通せる超伝導体である可能性もあります。そしてそれは、こちらも物理界でツチノコのように長年探索されてきて、電子工学に革命を起こすとされる室温超伝導体かもしれません。さらに金属水素は木星のような巨大惑星の中心に存在するといわれているので、金属水素を地球上で作り出すことで、惑星の成り立ちへの理解を深めることにもなるかもしれません。

この実験のミソ

論文を書いたLoubeyre氏らはまずこれまでの研究を生かし、ダイヤモンドアンビルセル(ごく小さなダイヤモンドふたつの間にサンプルをはさんで超高圧をかける機械)で気体状の水素を310GPaで圧縮し、固体の水素を生成しました。そして彼らは圧力をさらに上げていき、粒子加速器のSOLEILシンクロトロンが出す赤外線に水素サンプルがどう反応するかを計測しました。

すると圧力425GPa前後、温度80ケルビン(摂氏マイナス193.15度)の状態で、サンプルが突然すべての赤外線を吸収し始めました。この状態は論文では「バンドギャップが埋まった」と書かれてるんですが、言い換えると、エネルギーを加えなくても水素サンプル上を電子が通れるようになったということです。

まとめると、彼らは水素ガスを超コンパクトに圧縮して量子閉じ込め効果を利用することで、水素に金属のような電気を流す性質を与えることができた、と言ってるわけです。

論文によれば、この実験を成立させた要素がふたつあります。ひとつは、ダイヤモンドアンビルセルの中心の圧力がかかる部分、ダイヤモンドのパーツを、従来のような平らな形じゃなく、ドーナツ型みたいな「トロイダル」という形にしたことです。これによって、従来のダイヤモンドアンビルセルの400GPaという圧力の上限を超えることができました。ふたつめに、彼らが開発した新しいタイプの赤外線顕微鏡を使うことで、よりノイズの少ない計測が可能になったそうです。

この結果はまだ査読を受けてない、つまりまだ他の専門家の検証を受けていなくて、主要な学術誌には掲載されていません。なのでもちろん、他の研究者が同じことを再現してもいません。上にも書いたように、これまでたくさんの研究者が金属水素生成に挑んでいて、成功を発表しては否定されてきました。なので今回も、ぬか喜びになる可能性があります。

今回こそは大発見かも?

でも今回の論文では、どこかが違う感じもします。「ノーベル賞級の発見だと思います」今回の研究には関与していない高圧物理学の専門家で米国のアルゴンヌ国立研究所のMaddury Somayazulu氏は、米Gizmodoへのメールでこうコメントしました。「(金属水素生成に成功すれば)いつでもノーベル賞級でしたが、今回は多分、もっともきれいで、もっともまとまった研究だと思います」彼はこの論文の責任者であるSOLEILのPaul Dumas氏を「とてもよく知っている」とし、Dumas氏は「非常に慎重でシステマチックな科学者」だと評価しています。

カーネギー研究所地球物理研究所のAlexander Goncharov氏も、2017年のハーバード大学の金属水素発見説には懐疑的でしたが、今回の結果はもっと信頼しているようです。「この論文には、水素におけるバンドギャップが埋まったことについて十分な証拠が書かれていると思います」とGoncharov氏。「いくつかの解釈は不正確で、データの中には改善を要するものもありますが、全体的にはこの論文は妥当だと思い、信頼しています。」

オーストラリア原子科学技術機構の装置総括研究員、Helen Maynard-Casely氏は、かつて金属水素の探索について記事も書いていましたが、今回の研究は物理学界でもかなり話題になっているとツイートしています。

で、金属水素は本当に実現できたんでしょうか? Loubeyre氏たちは、ノーベル賞のセレモニーに出席すべくストックホルム行きのチケットを予約しておいたほうがいいんでしょうか? 残念ながら、それはまだわかりません。 Maynard-Casely氏が別のツイートで言っているように、この論文はこれから他の研究者による査読で承認される必要があり、それには何カ月もかかかりそうです。

でももし本当に金属水素を発見できてたら、これからは同じ手法で金属水素を繰り返し生成できるようになるかもしれません。はぐれメタルを仲間にできれば、人類の冒険がまたひとつ前に進めそうです。

Source: arXiv、Nature、JstageWikipediaTwitter