《Nature》：人类首次“看”到氢的金属态！

　　2020年1月19日，马斯克创造人类航天新壮举！空中炸毁火箭，然后成功实现载人舱逃逸。这是继回收火箭后的又一创举！用不了多久，你可能会坐着火箭，吐槽驾驶舱空间能不能再大一些。燃料箱中的燃料决定了你这次火箭旅行的行程距离和舒适度。据了解，目前我国的长征五号采用无毒无污染的液氧、液氢和煤油作为推进剂，那么如果换做是“金属氢”呢？那岂不是体积小，能量高的好燃料！此外，金属氢的爆炸威力相当于相同质量TNT炸药的25—35倍，是目前已知的威力最强大的化学爆炸物。物理学家预计，固态金属氢能在室温下无电阻地传导电流的特性将使其成为一种实用的室温超导材料。

　　想象很美好，现实很残酷！寻“氢”金属相之路，崎岖坎坷。早在1935年，英国物理学家贝纳尔就预言，在一定的高压下，任何绝缘体都能变成导电的金属，只是，不同的材料转变成导电金属所需的压力不同而已。固态氢在高压下，氢气的共价键会转变成金属键，表现出导电性。金属氢是一种室温超导体，是高密度、高储能材料，被誉为高压物理圣杯！经过半个多世纪的努力，直至近日才被科学家在400万个大气压下，用同步辐射红外“看见”！2020年1月29日，法国原子能和替代能源委员会物理学家Paul Loubeyre在极端压力和低温下，致密氢的光学反射率呈现出不连续且可逆的变化，这可归因于固态氢相转变为金属氢。相关论文以“Synchrotron infrared spectroscopic evidence of the probable transition to metal hydrogen”为题，发表在《Nature》杂志。

　　通常的做法就是采用金刚石砧室来实现超高压，用于研究材料在高密度下的物理特性变化。如下图所示，样品被限制在薄金属箔中间的微小腔体中，并置于两个金刚石砧之间。这看似简单的物理概念：压力与接触面积成反比，即接触面积越小，压力越大！但这里有一个固有缺陷：想要达到极大的压力，那么处理的样品量势必极小，才足以保证足够小的接触面积。

　　过去的半个多世纪，科学家已经突破的压力的极限，完善了估算压缩气体微观样品表面压力所需的工具与方法，然而测得压力的准确性以及得出的结果仍存在争议。基于此，Loubeyre和同事开发出一种新方法，采用聚焦离子束铣削的技术，在钻石砧上进行精确雕刻，获得特殊形状的钻石砧，实现了两个优点：1、能够产生极端压力，同时可以对样品表面的压力进行可靠的估算，据了解采用异型砧，产生的极端压力超过400GPa（大约是地球大气压力的400万倍）；2、砧座的形状有助于光学测量致密氢样品，可以和同步辐射红外联用。

图1.压力增加对冷固体氢的影响。(a)当施加的压力为1GPa时，样品对于红外可见光表现出透明状态。

　　在极端压力下，氢变得越发致密，对可见光变得越来越不透明。对于超过300 GPa的压力，固体氢只能通过比可见光能量低的电磁辐射，如红外辐射才能穿透（图1b），Loubeyre利用同步辐射源产生的近中红外辐射测得的固体氢在此压力下的光学透明性更高。

图1.压力增加对冷固体氢的影响。（b）当压力超过300GPa时，稠密的氢在可见光下变得不透明。

　　作者发现，当压力升高到425 GPa以上时，压缩氢气样品会阻挡所有光线，与此同时反射率的突然增加（图1c）。此外，他们发现这种转变是可逆的！作者将光反射率的变化归因于压力诱导相变，在这种状态下，氢中的电子能够像金属中的电子一样自由移动。氢可以作为分子固体一直保持在转变压力，但是很难在极端条件下去证实这一状态！在这些极端条件下，光和物质之间的耦合会减少。同步辐射红外是由相对论性电子在磁场中沿着曲线轨迹运动产生的，同步辐射的光源亮度比常规红外的光源高出2-3个数量级，采用同步辐射红外，极大的提高了空间分辨率和信噪比。作者将特殊构造的钻石砧和同步辐射红外连用，观测到了“金属氢”。

图1.压力增加对冷固体氢的影响。（c）当压力超过450GPa，样品对于红外可见光产生了反射，这就是传说中的氢的金属态。

　　当然，说实话证明氢的金属态的存在，最好的方法是测量样品在高压下电导率与温度的函数关系。固体氢应表现出高水平的导电性，并且随着样品温度的升高，电阻降低。然而，目前的实验技术，测量极端条件下固体氢的电子传输能力仍然是一个巨大的挑战（小编：看来Nature、Science还有得发！）。

图2.氢气样品在不同压力下的照片。

　　尽管如此，同期《Nature》杂志刊登了加拿大渥太华大学大学Serge Desgreniers教授同期在《Nature》上发表评论：“Loubeyre和同事的发现是在极端压力条件下致密氢达到金属状态的接近确定性的证据，是寻找金属氢历程中的里程碑进展。”与此同时，他指出目前仍存在许多问题，例如：1、是否可以在金属转变测量过程中测量电阻率？2、金属氢是室温超导吗？3、在超高压下，氢气分子的有序性会被破坏并形成原子相吗？为了回答这些问题，进一步揭示和理解氢在极端密度下的特性，世界各国不同的研究小组之间的竞争仍然很激烈，期待更多更令人兴奋的发现。