โลหะไฮโดรเจนเป็นเฟส หนึ่ง ของไฮโดรเจนซึ่งมีพฤติกรรมเหมือนตัวนำไฟฟ้าเฟสนี้ได้รับการทำนายไว้ในปี พ.ศ. 2478 บนพื้นฐานทางทฤษฎีโดยEugene WignerและHillard Bell Huntington ^{[ 1 ]}

ภายใต้ความดันและอุณหภูมิสูงไฮโดรเจนโลหะสามารถอยู่ในสถานะของเหลว บางส่วน แทนที่จะเป็นของแข็งเชื่อกันว่ามีปริมาณมากในบริเวณภายในที่ร้อนและถูกบีบอัดด้วยแรงโน้มถ่วงของดาวพฤหัสบดีและดาวเสาร์รวมถึงในดาวเคราะห์นอกระบบ บางดวง ด้วย^{[ 2 ]}

แม้ว่าโดยทั่วไปแล้วไฮโดรเจนจะถูกจัดวางไว้ที่ด้านบนสุดของ_{คอลัมน์}โลหะอัลคาไลในตารางธาตุแต่ภายใต้สภาวะปกติ ไฮโดรเจนไม่ได้แสดงคุณสมบัติของโลหะอัลคาไล แต่จะสร้าง โมเลกุล ไดอะตอมิกH₂คล้ายกับฮาโลเจนและอโลหะ บางชนิด ในคาบที่สองของตารางธาตุ เช่นไนโตรเจนและออกซิเจนไฮโดรเจนไดอะตอมิกเป็นแก๊สที่ความดันบรรยากาศจะกลายเป็นของเหลวและแข็งตัวได้เฉพาะที่อุณหภูมิต่ำมากเท่านั้น (20  เคลวินและ 14 เคลวินตามลำดับ)

ในปี พ.ศ. 2478 นักฟิสิกส์_Eugene WignerและHillard Bell Huntington ได้ทำนายว่าภายใต้ ความดันมหาศาลประมาณ 25 GPa (250,000 atm; 3,600,000 psi) ไฮโดรเจนจะแสดง คุณสมบัติ แบบโลหะ : แทนที่จะเป็น โมเลกุล H₂ ที่แยกจากกัน (ซึ่งประกอบด้วยอิเล็กตรอนสองตัวที่ถูกผูกไว้ระหว่างโปรตอนสองตัว) จะเกิดเฟสที่เป็นเนื้อเดียวกันโดยมีโครงสร้างผลึกแข็งของโปรตอนและอิเล็กตรอนกระจายตัวอยู่ทั่วทั้งโครงสร้าง^{[ 1 ]}นับตั้งแต่นั้นมา การผลิตไฮโดรเจนโลหะในห้องปฏิบัติการได้รับการอธิบายว่าเป็น "เป้าหมายสูงสุดของฟิสิกส์ความดันสูง" ^{[ 3 ]}

การคาดการณ์เบื้องต้นเกี่ยวกับปริมาณแรงดันที่ต้องการนั้นในที่สุดก็พบว่าต่ำเกินไป^{[ 4 ]}นับตั้งแต่ผลงานชิ้นแรกของ Wigner และ Huntington การคำนวณทางทฤษฎีที่ทันสมัยกว่าชี้ให้เห็นถึงแรงดันโลหะ ที่สูงขึ้นแต่สามารถทำได้จริง ประมาณ 400 GPa (3,900,000 atm; 58,000,000 psi) ^{[ 5 ] [ 6 ]}

ฮีเลียม-4เป็นของเหลวที่ความดันปกติใกล้ศูนย์สัมบูรณ์ซึ่งเป็นผลมาจากพลังงานจุดศูนย์ (ZPE) ที่สูง พลังงานจุดศูนย์ของโปรตอนในสถานะหนาแน่นก็สูงเช่นกัน^{[ 7 ]}และคาดว่าจะมีการลดลงของพลังงานการเรียงตัว (เมื่อเทียบกับพลังงานจุดศูนย์) ที่ความดันสูงนีล แอชครอฟต์และคนอื่นๆ ได้เสนอข้อโต้แย้งว่ามีจุดหลอมเหลวสูงสุดในไฮโดรเจนที่ถูกอัดแต่ก็อาจมีช่วงความหนาแน่นที่ความดันประมาณ 400 GPa ซึ่งไฮโดรเจนจะเป็นโลหะเหลวแม้ที่อุณหภูมิต่ำ^{[ 8 ] [ 9 ]}

Geng ทำนายว่า ZPE ของโปรตอนจะลดอุณหภูมิหลอมเหลวของไฮโดรเจนลงเหลือต่ำสุดที่ 200 ถึง 250 K (−73 ถึง −23 °C) ที่ความดัน 500–1,500 GPa (4,900,000–14,800,000 atm; 73,000,000–218,000,000 psi) ^{[ 10 ] [ 11 ]}

ภายในบริเวณราบนี้ อาจมีเมโซเฟส ระดับธาตุ ที่เป็นตัวกลางระหว่างสถานะของเหลวและของแข็ง ซึ่งสามารถ คงเสถียรภาพ ได้ในระดับอุณหภูมิต่ำและเข้าสู่สถานะซูเปอร์โซลิด^{[ 12 ]}

ในปี พ.ศ. 2511 นีล แอชครอฟต์เสนอว่าไฮโดรเจนโลหะอาจเป็นตัวนำยิ่งยวดได้จนถึงอุณหภูมิห้อง (290 K หรือ 17 °C) สมมติฐานนี้ตั้งอยู่บนการคาดการณ์ถึงการเชื่อมโยง ที่แข็งแกร่ง ระหว่างอิเล็กตรอนนำไฟฟ้าและการสั่นของแลตติส^{[ 13 ]}

ไฮโดรเจนโลหะ ที่ไม่เสถียรอาจมีศักยภาพในการเป็นเชื้อเพลิงจรวดที่มีประสิทธิภาพสูง รูปแบบโลหะจะถูกจัดเก็บ และพลังงานจากการลดความดันและการแปลงเป็นรูปแบบก๊าซไดอะตอมิกเมื่อปล่อยออกมาผ่านหัวฉีดจะใช้ในการสร้างแรงขับ โดยมีแรงขับจำเพาะ ทางทฤษฎี สูงถึง 1700 วินาที (สำหรับการอ้างอิง เชื้อเพลิงจรวดเคมีที่มีประสิทธิภาพสูงสุดในปัจจุบันมีI _spน้อยกว่า 500 วินาที^{[ 14 ]} ) แม้ว่ารูปแบบที่ไม่เสถียรที่เหมาะสมสำหรับการผลิตจำนวนมากและการจัดเก็บปริมาณมากแบบดั้งเดิมอาจไม่มีอยู่จริง^{[ 15 ] [ 16 ]}ปัญหาสำคัญอีกประการหนึ่งคือความร้อนของปฏิกิริยา ซึ่งสูงกว่า 6000 K สูงเกินไปสำหรับวัสดุเครื่องยนต์ที่รู้จักใดๆ ที่จะนำมาใช้ได้ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องเจือจางไฮโดรเจนโลหะด้วยน้ำหรือไฮโดรเจนเหลว ซึ่งเป็นส่วนผสมที่จะยังคงให้ประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้นอย่างมากเมื่อเทียบกับเชื้อเพลิงในปัจจุบัน^{[ 14 ]}

สถานะ "ซูเปอร์" ของสสารที่รู้จักกันในปัจจุบัน ได้แก่ตัวนำยิ่งยวดของเหลว และก๊าซ ยิ่งยวดและของแข็งยิ่งยวดEgor Babaevทำนายว่าหากไฮโดรเจนและดิวเทอเรียมมีสถานะโลหะเหลว พวกมันอาจมีสถานะควอนตัมที่มีระเบียบซึ่งไม่สามารถจัดประเภทเป็นตัวนำยิ่งยวดหรือของเหลวยิ่งยวดในความหมายปกติได้ แต่พวกมันอาจเป็นตัวแทนของของเหลวควอนตัม สองประเภทใหม่ที่เป็นไปได้ ได้แก่ของเหลวยิ่งยวดตัวนำยิ่งยวดและของเหลวยิ่งยวดโลหะของเหลวดังกล่าวคาดว่าจะมีปฏิกิริยาที่ผิดปกติอย่างมากต่อสนามแม่เหล็กภายนอกและการหมุน ซึ่งอาจเป็นวิธีการตรวจสอบเชิงทดลองของการทำนายของ Babaev นอกจากนี้ยังมีการเสนอแนะว่าภายใต้อิทธิพลของสนามแม่เหล็ก ไฮโดรเจนอาจแสดงการเปลี่ยนเฟสจากตัวนำยิ่งยวดไปเป็นของเหลวยิ่งยวดและในทางกลับกัน^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]}

ในปี 2552 Zurek และคณะได้ทำนายว่าโลหะผสมLiH ₆จะเป็นโลหะที่เสถียรที่ความดันเพียงหนึ่งในสี่ของความดันที่จำเป็นในการทำให้ไฮโดรเจนกลายเป็นโลหะ และผลกระทบที่คล้ายกันควรเกิดขึ้นกับโลหะผสมประเภท LiH _nและอาจรวมถึง " ระบบไฮไดรด์สูงของโลหะอัลคาไลอื่นๆ" เช่น โลหะผสมประเภท XH _nโดยที่ X คือโลหะอัลคาไล [ ^{20 ] ต่อ}มาได้รับการยืนยันใน AcH ₈และLaH ₁₀โดยมีT _cเข้าใกล้ 270 K ^{[ 21 ]}นำไปสู่การคาดการณ์ว่าสารประกอบอื่นๆ อาจเสถียรที่ความดันเพียงไม่กี่ MPa ด้วยสภาพนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิห้อง

ในเดือนมีนาคม พ.ศ. 2539 กลุ่มนักวิทยาศาสตร์ที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติลอว์เรนซ์ลิเวอร์มอร์รายงานว่าพวกเขาบังเอิญผลิตไฮโดรเจนโลหะที่ระบุได้เป็นครั้งแรก^{[ 22 ]}เป็นเวลาประมาณหนึ่งไมโครวินาทีที่อุณหภูมิหลายพันเคลวินความดันมากกว่า 100  GPa (1,000,000  atm ; 15,000,000  psi ) และความหนาแน่นประมาณ0.6 g/cm³ ^{[ 23 ]}ทีมงานไม่ได้คาดหวังว่าจะผลิตไฮโดรเจนโลหะ เนื่องจากไม่ได้ใช้ไฮโดรเจนแข็ง ซึ่งคิดว่าจำเป็น และทำงานที่อุณหภูมิสูงกว่าที่ระบุไว้ในทฤษฎี ^การเกิดโลหะ การศึกษาครั้งก่อนๆ ที่อัดไฮโดรเจนแข็งภายในทั่งเพชรด้วยแรงดันสูงถึง 250 GPa (2,500,000 atm; 37,000,000 psi) ไม่ได้ยืนยันการเกิดโลหะที่ตรวจจับได้ ทีมงานเพียงต้องการวัด การเปลี่ยนแปลง การนำไฟฟ้า ที่ไม่รุนแรงมากนัก ตามที่พวกเขาคาดไว้ นักวิจัยใช้ปืนแก๊สเบาในยุค 1960 ซึ่งเดิมใช้ใน การศึกษา ขีปนาวุธนำวิถี เพื่อยิงแผ่นกระทบเข้าไปในภาชนะปิดผนึกที่มีตัวอย่าง ไฮโดรเจนเหลวหนาครึ่งมิลลิเมตรไฮโดรเจนเหลวสัมผัสกับสายไฟที่นำไปสู่อุปกรณ์วัดความต้านทานไฟฟ้า นักวิทยาศาสตร์พบว่า เมื่อความดันเพิ่มขึ้นถึง 140 GPa (1,400,000 atm; 21,000,000 psi) ช่องว่าง พลังงานอิเล็กตรอน ซึ่งเป็นตัววัดความต้านทานไฟฟ้าลดลงจนเกือบเป็นศูนย์ ช่องว่างพลังงานของไฮโดรเจนในสถานะที่ไม่ถูกอัดนั้นอยู่ที่ประมาณ15  eVทำให้มันเป็นฉนวนแต่เมื่อความดันเพิ่มขึ้นอย่างมาก ช่องว่างพลังงานจะค่อยๆ ลดลงเหลือ0.3 eVเนื่องจากพลังงานความร้อนของของเหลว (อุณหภูมิเพิ่มขึ้นเป็นประมาณ 3,000 K หรือ 2,730 °C เนื่องจากการอัดตัวอย่าง) สูงกว่าที่ พลังงาน 0.3 eVไฮโดรเจนอาจถือได้ว่าเป็นโลหะ

การทดลองหลายอย่างยังคงดำเนินต่อไปในการผลิตไฮโดรเจนโลหะในห้องปฏิบัติการภายใต้สภาวะการอัดแบบคงที่และอุณหภูมิต่ำ Arthur Ruoff และ Chandrabhas Narayana จากมหาวิทยาลัย Cornellในปี 1998 ^{[ 24 ]}และต่อมา Paul Loubeyre และ René LeToullec จากCommissariat à l'Énergie Atomiqueประเทศฝรั่งเศสในปี 2002 ได้แสดงให้เห็นว่าที่ความดันใกล้เคียงกับความดันที่ใจกลางโลก (320–340 GPa หรือ 3,200,000–3,400,000 atm) และอุณหภูมิ 100–300 K (−173–27 °C) ไฮโดรเจนยังคงไม่ใช่โลหะอัลคาไลที่แท้จริง เนื่องจากมีช่องว่างแถบพลังงานที่ไม่เป็นศูนย์ การค้นหาไฮโดรเจนโลหะในห้องปฏิบัติการที่อุณหภูมิต่ำและการอัดแบบคงที่ยังคงดำเนินต่อไป การศึกษาเกี่ยวกับดิวเทอเรียมก็ กำลังดำเนินอยู่เช่นกัน ^{[ 25 ]} Shahriar Badiei และ Leif Holmlid จากมหาวิทยาลัยโกเธนเบิร์กได้แสดงให้เห็นในปี 2547 ว่าสถานะโลหะควบแน่นที่ทำจากอะตอมไฮโดรเจนที่ถูกกระตุ้น ( สสาร Rydberg ) เป็นตัวส่งเสริมที่มีประสิทธิภาพสำหรับไฮโดรเจนโลหะ^{[ 26 ]}อย่างไรก็ตาม ผลลัพธ์เหล่านี้ถูกโต้แย้ง^{[ 27 ]}

ค่าสูงสุดของเส้นโค้งการหลอมเหลวที่ทำนายไว้ตามทฤษฎี (เงื่อนไขเบื้องต้นสำหรับไฮโดรเจนโลหะเหลว) ถูกค้นพบโดย Shanti Deemyad และ Isaac F. Silvera โดยใช้การให้ความร้อนด้วยเลเซอร์แบบพัลส์^{[ 28 ]} MI Eremetsและคณะอ้างว่าโมเลกุลซิเลนที่อุดมด้วยไฮโดรเจน (SiH 4) กลายเป็นโลหะและกลายเป็นตัวนำยิ่งยวด [ 29 _]ข้ออ้าง^{นี้ถูกโต้แย้ง}และผลลัพธ์ของพวกเขาไม่ได้รับการทำซ้ำ^{[ 30 ] [ 31 ]}

ในปี 2554 Eremets และ Troyan รายงานการสังเกตสถานะโลหะเหลวของไฮโดรเจนและดิวเทอเรียมที่ความดันสถิต 260–300 GPa (2,600,000–3,000,000 atm) ^{[ 32 ] [ 33 ]}ข้อกล่าวอ้างนี้ถูกตั้งคำถามโดยนักวิจัยคนอื่นๆ ในปี 2555 ^{[ 34 ] [ 35 ]}

ในปี 2558 นักวิทยาศาสตร์ที่Z Pulsed Power Facilityประกาศการสร้างดิวเทอเรียม โลหะโดยใช้ ดิวเทอเรียมเหลวที่มีความหนาแน่นสูงซึ่งเป็นการเปลี่ยนสถานะจากฉนวนไฟฟ้าเป็นตัวนำที่เกี่ยวข้องกับการเพิ่มขึ้นของการสะท้อนแสง^{[ 36 ] [ 37 ]}

เมื่อวันที่ 5 ตุลาคม 2559 Ranga Diasและ Isaac F. Silvera จากมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ดได้เผยแพร่ข้ออ้างในเอกสารก่อนตีพิมพ์เกี่ยวกับหลักฐานเชิงทดลองว่าไฮโดรเจนโลหะแข็งได้รับการสังเคราะห์ในห้องปฏิบัติการที่ความดันประมาณ 495 GPa (4,890,000 atm; 71,800,000 psi) โดยใช้เซลล์เพชรแอนวิลฉบับปรับปรุงได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Scienceในปี 2560 ^{[ 38 ] [ 39 ] [ 40 ]}

ในฉบับร่างก่อนตีพิมพ์ของบทความ Dias และ Silvera เขียนไว้ว่า:

เมื่อความดันเพิ่มขึ้น เราสังเกตเห็นการเปลี่ยนแปลงในตัวอย่าง จากโปร่งใส เป็นสีดำ และเป็นโลหะสะท้อนแสง ซึ่งตัวอย่างหลังนี้ศึกษาที่ความดัน 495 GPa... ใช้แบบจำลองอิเล็กตรอนอิสระของ Drudeในการหาค่าการสะท้อนแสง และกำหนดความถี่พลาสมาได้ 30.1 eV ที่T  = 5.5 K โดยมีความหนาแน่นของตัวนำอิเล็กตรอนที่สอดคล้องกันคือ6.7 × 10²³อนุภาค/ซม^³ซึ่งสอดคล้องกับการประมาณค่าทางทฤษฎี คุณสมบัติเป็นของโลหะ ไฮโดรเจนโลหะแข็งถูกผลิตขึ้นในห้องปฏิบัติการ^แล้ว

ในเดือนมิถุนายน 2019 ทีมงานจากCommissariat à l'énergie atomique et aux énergies Alternatives (คณะกรรมาธิการพลังงานทางเลือกและพลังงานปรมาณูของฝรั่งเศส) อ้างว่าได้สร้างไฮโดรเจนที่เป็นโลหะที่ประมาณ 425 GPa (4,190,000 atm) ^{[ 41 ]}

W. Ferreira และคณะ (รวมถึง Dias และ Silvera) ได้ทำการทดลองซ้ำหลายครั้งหลังจากที่บทความในวารสาร Science ได้รับการตีพิมพ์ โดยในที่สุดก็ตีพิมพ์ในปี 2023 และพบว่ามีการเปลี่ยนไฮโดรเจนเป็นโลหะที่ความดันระหว่าง 477 ถึง 491 GPa (4,710,000 ถึง 4,850,000 atm) ในครั้งนี้ ความดันถูกปล่อยออกเพื่อประเมินคำถามเกี่ยวกับสภาวะไม่เสถียร พบว่าไฮโดรเจนที่เป็นโลหะไม่เสถียรที่ความดันศูนย์^{[ 42 ]}

ในเดือนสิงหาคม พ.ศ. 2561 นักวิทยาศาสตร์ได้ประกาศการสังเกตการณ์ใหม่^{[ 43 ]} เกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วของดิวเทอเรียม เหลว จากรูปแบบฉนวนไปเป็นรูปแบบโลหะที่อุณหภูมิต่ำกว่า 2000 K พบความสอดคล้องที่น่าทึ่งระหว่างข้อมูลการทดลองและการคาดการณ์โดยอิงจาก การจำลอง ควอนตัมมอนเตคาร์โลซึ่งคาดว่าจะเป็นวิธีการที่แม่นยำที่สุดในปัจจุบัน สิ่งนี้อาจช่วยให้นักวิจัยเข้าใจดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์ ได้ดีขึ้น เช่น ดาวพฤหัสบดี ดาวเสาร์ และดาวเคราะห์นอกระบบ ที่เกี่ยวข้อง เนื่องจากเชื่อกันว่าดาวเคราะห์เหล่านี้มีไฮโดรเจนโลหะเหลวจำนวนมาก ซึ่งอาจเป็นสาเหตุของสนามแม่เหล็ก ที่ทรงพลัง ที่ สังเกตได้ ^{[ 44 ] [ 45 ]}

• ไฮไดรด์ #ไฮไดรด์แทรกตัว หรือ ไฮไดรด์โลหะ
• ความปลอดภัยของไฮโดรเจน #เทคโนโลยีความเย็นยิ่งยวด
• ยาน อวกาศจูโน
• แรงดันโลหะ
• ไฮโดรเจนแบบเกล็ดน้ำแข็ง
• ลำดับเหตุการณ์ของเทคโนโลยีไฮโดรเจน