Ternyata Hidrogen Bisa Diubah Menjadi Logam. Mau Tahu Caranya?

Oleh: Shafa Nur F.

Ilmu pengetahuan semakin berkembang tiap masanya. Para ilmuwan telah bermimpi untuk mengubah yang paling ringan dari semua unsur, yaitu hidrogen, menjadi logam sejak lama. Banyak penelitian yang dilakukan, namun penemuan yang fundamental baru saja dicapai.

Transisi ke hidrogen logam padat (SMH) dibayangkan oleh Wigner dan Huntington (WH) lebih dari 80 tahun yang lalu. Para ilmuwan di Harvard University akhirnya berhasil menciptakan sejumlah kecil materi yang paling langka, sampel hidrogen logam yang dinamakan hidrogen metalik (MH) seperti yang dilaporkan dalam jurnal Science.

Perkembangan eksperimental dan teoritis yang luar biasa secara dramatis mengubah diagram fase hidrogen selama beberapa dekade terakhir. Metode kuantum Monte-Carlo kuantum modern dan teori fungsional kepadatan memprediksi tekanan ~ 400 hingga 500 GPa untuk transisi, dengan kisi atom berada dalam kelompok ruang I41 / amd.

Transisi fase plasma adalah transisi ke atom hidrogen metalik cair. Pathway I bertransisi melalui sejumlah fase yang tidak dibayangkan dalam diagram fase sederhana yang diprediksi oleh WH. Sifat-sifat tekanan rendah dari hidrogen molekuler padat sangat menarik, dan banyak aspek — seperti pentingnya konsentrasi orto-para, dan transisi fase padat-padat yang dicirikan oleh tatanan orientasi — telah ditinjau di tempat lain.

Pada fase tekanan rendah, suhu rendah I, molekul berada dalam keadaan kuantum simetris dan membentuk struktur heksagonal yang tertutup rapat. Fase II, III, dan IV adalah fase dengan perubahan struktural dan tatanan orientasional dari molekul. Fase baru dalam hidrogen yang diamati pada suhu helium-helium diyakini mendahului fase logam disebut H₂-PRE yang juga bernama VI pada suhu yang lebih tinggi.

Peneliti menggunakan berlian sintetis tipe IIac conic (dipasok oleh Almax-Easylab) dengan ~ 30-μm-diameter flat culet. Berlian dilapisi bersama dengan reminder rhenium (Re) yang dipasang dengan lapisan alumina amorf yang tebal 50-nm melalui proses pengendapan lapisan atom. Lapisan alumina pada tekanan tinggi tidak mempengaruhi atau mencemari sampel, bahkan pada suhu setinggi ~ 2000 K.

• Pada tekanan hingga 335 GPa, hidrogen transparan. Sampel itu baik depan dan belakang diterangi dalam hal ini dan di (B); area yang kurang terang di sekitar sampel dipantulkan cahaya dari Re gasket.
• Pada tahap kompresi ini, sampel berwarna hitam dan tidak ditransmisikan. Area yang lebih terang ke sudut kanan atas disebabkan oleh iluminasi LED, yang tidak difokuskan pada sampel untuk meningkatkan kontras.
• Foto hidrogen metalik pada tekanan 495 GPa. Sampel tidak ditransmisikan dan diamati dalam cahaya yang dipantulkan. Wilayah tengah jelas lebih reflektif daripada gasket Re logam di sekitarnya. Dimensi sampel adalah ~ 8 hingga 10 μm, dengan ketebalan ~ 1,2 μm.

Bukti utama bahwa hidrogen telah berubah menjadi fase logam adalah pengukuran reflektansi sebagai fungsi panjang gelombang. Analisis reflektansi dapat menghasilkan informasi penting mengenai sifat-sifat dasar logam. Model yang sangat sukses dan mudah diterapkan adalah model elektron bebas Drude dari logam. Model logam ini kemungkinan pendekatan yang baik untuk menghubungkan pemantulan dengan sifat-sifat dasar logam.

Analisis struktur pita terbaru dari grup ruang I41 / amd oleh Borinaga et al menunjukkan bahwa untuk struktur ini, elektron di SMH dekat dengan batas elektron bebas, yang mendukung penerapan model Drude. Model Drude memiliki dua parameter, frekuensi plasma ωp dan waktu relaksasi τ. Frekuensi plasma diberikan oleh , dimana m_e and e  adalah massa elektron dan muatan dan n_e, adalah kerapatan elektron. Indeks kompleks pembiasan MH diberikan oleh , di mana ω adalah frekuensi sudut cahaya.

MH berhubungan dengan berlian yang ditekankan yang memiliki indeks bias N_D; ini memiliki nilai ~ 2,41 di wilayah merah spektrum pada kondisi ambien. Peneliti mengukur reflektansi  sebagai fungsi energi atau (angular) frekuensi ω. Peneliti menggunakan kuadrat terkecil sesuai dengan data reflektansi yang dikoreksi untuk menentukan parameter Drude pada 5 K, 32,5 ± 2,1 eV, dan 6,7 ± 0,6 × 1016 s. Nilai-nilai ini sangat berbeda dari kesesuaian dengan data yang tidak dikoreksi.

MH mungkin memiliki dampak penting pada fisika dan mungkin pada akhirnya akan menemukan aplikasi teknologi yang luas. Pekerjaan teoritis menunjukkan beragam sifat yang menarik untuk MH, termasuk superkonduktivitas suhu tinggi dan superfluiditas (jika cairan). Tantangan yang membayang adalah memadamkan MH dan jika demikian, mempelajari stabilitas suhu untuk melihat apakah ada jalur untuk produksi dalam jumlah besar.

Untuk hidrogen metalik secara teoritis dapat merevolusi teknologi, memungkinkan penciptaan komputer super cepat, kereta melayang kecepatan tinggi dan kendaraan ultra-efisien dan secara dramatis meningkatkan hampir apa pun yang melibatkan listrik. Dan itu juga memungkinkan manusia menjelajahi ruang angkasa yang belum pernah terjadi sebelumnya.

Referensi :

1. independent.co.uk/news/science/hydrogen-metal-revolution-technology-space-rockets-superconductor-harvard-university-a7548221.html
2. http://science.sciencemag.org/content/357/6352/eaao5843