Квантовые эффекты ядер определяют переход водорода в проводящее состояние

Поведение водорода при высоких давлениях и температурах — одна из ключевых загадок физики конденсированного состояния. В таких условиях, которые возникают, например, в ядрах Юпитера и Сатурна, водород может существовать в виде молекулярной жидкости, твердого тела или плазмы. Особый интерес вызывает переход из молекулярной фазы в проводящее немолекулярное состояние, сопровождающийся распадом молекул H₂. До сих пор единого мнения о природе этого перехода не было: теоретические модели предсказывали фазовый переход первого рода, но экспериментальные данные не давали однозначного ответа.

Квантовые протоны меняют картину

Чтобы разрешить противоречия, физики впервые учли квантовую природу ядер водорода — протонов. Вместо классических частиц они рассматривали протоны как квантовые объекты, обладающие «пространственной размазанностью». Этот эффект существенно влияет на устойчивость молекул, давление перехода и структуру жидкости. Как объяснил Вячеслав Лукьянчук, младший научный сотрудник Центра вычислительной физики МФТИ, основная мотивация работы — лучше понять природу перехода флюида водорода в спорной области фазовой диаграммы. Именно вопрос, является ли этот переход фазовым переходом первого рода, остается предметом дискуссий.

Моделирование дало важный результат: авторы впервые наблюдали не только метастабильную молекулярную ветвь, но и метастабильную проводящую немолекулярную ветвь. Метастабильная молекулярная ветвь — это область, где водород еще сохраняет молекулярную структуру, хотя при заданных давлении и температуре такое состояние энергетически неустойчиво. Ранее, при расчетах с классическими ядрами, проводящая метастабильная ветвь не регистрировалась.

Эффективный сдвиг температуры

Еще один примечательный результат — влияние квантовых эффектов ядер можно рассматривать как эффективный температурный сдвиг примерно на 300 К. Система с делокализованными протонами при 700 К ведет себя так же, как система с классическими протонами при 1000 К. Это означает, что квантовые эффекты «разогревают» систему, облегчая переход в проводящее состояние.

Николай Кондратюк, исполнительный директор Центра вычислительной физики МФТИ, подчеркнул, что хотя наличие двух метастабильных ветвей само по себе не является строгим математическим доказательством фазового перехода первого рода, совокупность признаков — плато на изотермах, резкое изменение структуры, рост электропроводности, скрытая теплота — дает веские аргументы в пользу такого перехода. Ученые осторожно отмечают, что положение фазовой границы зависит от метода моделирования.

Значение для планетологии и будущих исследований

Исследование показывает, что при описании водорода в экстремальных условиях нельзя игнорировать квантовые эффекты ядер. Полученные данные позволят улучшить модели внутреннего строения планет-гигантов, в частности Юпитера, а также усовершенствовать общие модели поведения вещества под высоким давлением. В планах исследователей — уточнить количественное положение фазовой границы с помощью машинно-обученного потенциала и изучить динамику распада метастабильных состояний: как именно молекулярный водород превращается в проводящий, какие промежуточные структуры возникают и как меняется проводимость со временем.