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世界初の金属水素の生成に…は本当なのか?超伝導やエネルギーへの応用に期待


 世界初の金属水素の生成に成功というニュースがありました。これが本当なら、常温での超伝導を利用したコンピューターの飛躍的な高速化や、飛躍的にエネルギーが高まるロケット燃料の開発が期待できるそうです。ただ、こういった研究者の主張は、実は間違っていたということも珍しくありません。そこらへんの話についても書いています。

2021/01/07追記:
●今度こそ本当っぽい水素の金属化という報道…つまり前回は嘘
●史上初の金属水素の論文、実はまだチェックされていない論文だった…


●世界初の金属水素の生成に…は本当なのか?ハーバード大学が発表

2017/2/11:水素を金属にするとどうなる? ハーバード大学が世界で初めて金属水素の生成に成功? FUTURUS / 2017年2月11日 10時0分によると、ハーバード大学の研究者らが、金属水素の作成に成功したと発表しました。

 水素に超高圧をかけることで、金属水素に変化すると考えられていました。Isaac Silvera博士とRanga Dias博士は、水素に495GPa(ギガパスカル)という地球の中心部よりも高い圧力をかけることで、水素が金属特有の性質を示したとしています。通常の状態であれば水素は絶縁体である水素が、金属化すると伝導性を持つと考えられています。はっきりと書かれていなかったものの、そこらへんの性質が表れたのかもしれません。

 ただ、これが本当に金属水素だったかについては、懐疑的な人もいます。 疑問を投げかけていたのは、ワシントンDCのカーネギー科学研究所(Carnegie Institution for Science)の地球物理学者であるAlexander Goncharovさん。研究者らが確認したという金属光沢は、圧力をかける際に使ったダイヤモンドアンビルセルという器具のダイヤモンドの先端を覆っていた酸化アルミニウムだった可能性があるとしているそうです。

 こうした疑問を持つことは、科学の世界では健全であり、よくあることでもあります。実際に「世界初の~」が、事実ではなかったということもまた珍しいことではありません。成果を主張する側が証拠を積み上げて、証明する必要があります。


●なぜ金属水素の生成はすごいの?超伝導やエネルギーへの応用に期待

 ところで、そもそもなぜ金属水素の生成が注目を浴びているのでしょう? 記事によると、金属水素の生成が実現すれば、常温での超伝導や飛躍的にエネルギーが高まるロケット燃料、そしてコンピューターの飛躍的な高速化など、さまざまなブレークスルーが生じるとして期待されているそうです。

 今回の研究で注目なのは、一度、金属化した水素が、圧力から解放されても金属の状態を維持できるかどうか。もし金属状態を維持できれば、常温・常圧下での超伝導物質になるかもしれないためです。実際に、ハーバード大の研究チームは、実験段階では低温で圧力をかけ続けている状態から、慎重に解放することを試みているとしていました。

 もしこれが成功すれば、リニアモーターカーなどの磁気浮上を採用した移動システムや、コンピューターなどの性能を飛躍的に向上させることができることも期待されています。また、ロケット燃料に関して言うと、金属水素が非常に大きなエネルギーを投じて作成されるがために、再び水素分子に戻る際には膨大なエネルギーを放出するというのがポイント。これをロケットのエネルギーに使えるのではないか、と期待されているのです。


●実は過去にも「金属水素の世界初の生成」はあった?

 <「世界初の~」が、事実ではなかったということもまた珍しいことではありません>と書いていたら、実際、過去にも初生成の主張はあったようです。金属水素 - Wikipediaによると、1996年3月というかなり昔に、ローレンス・リバモア国立研究所の研究グループが、初めての金属水素を思いがけず発見したと報告していました。

 ただ、そもそもこの発見が間違っていたという話が、Wikipediaでは書かれていません。こうなると、今回の研究が別の意味で、本当に世界初なのか?と疑問が出てきます。とりあえず、このときの研究は、金属水素ができることを期待していなかったため、当時必要だと思われていた固体水素を用いず、また金属化理論から導かれる温度よりも高温で実験を行ったときに、発見したとしていました。

 上記以外に、2011年、EremetsとTroyanは、通常の圧力下で水素と重水素の液体金属状態を観測したと報告しています。ただし、この報告の方は、2012年に他の研究者から疑問が呈されており、私が想定する「否定された」のパターンだったっぽいです。やはり今回の研究成果についても、慎重に見ておいた方が良いと思われます。


●今度こそ本当っぽい水素の金属化という報道…つまり前回は嘘

2021/01/07:最初の話は2017年2月のものでした。その後の2019.06.28に史上初、水素の金属化に成功? 今度こそ本当っぽい | ギズモード・ジャパンという記事が出ていました。「今度こそ本当っぽい | 」というのは、つまり、2017年の研究はやはり本当ではなかったんでしょうね。また、この2019年の研究も同じように慎重に見ておいた方が良いかもしれません。

<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>


●史上初の金属水素の論文、実はまだチェックされていない論文だった…

 Paul Loubeyreさんらの論文によれば、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。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だとのことです。

 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るとのこと。ということで、以下のような実験を行いました。

<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。(中略)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>

 なお、この論文は報道時点では、まだ査読を受けていませんでした。これは要するに他の科学者らによってチェックされていなかったということです。ただ、日本語でヒットする2019年のPaul Loubeyreさんらの研究に関する記事はこれ一つ。続報すらないということを考えると、これもまたまた本物ではなかったのかもしれません。


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