继氢键之后，国人再次首获分子氢晶体学信息

　　据预测，氢分子具有奇异的物理特性和两组分（电子和质子）超导超流体冷凝物的拓扑结构。因此，了解这种转变仍然是凝聚态物理学中的重要目标。但是，由于在极端条件下进行X射线和中子衍射测量涉及相当大的技术挑战，因此对于大多数高压相，缺乏提供有关压缩状态下氢金属化的关键信息。

　　最近，北京高压科学研究中心毛河光团队在Nature在线发表题为”Ultrahigh-pressure isostructural electronic transitions in hydrogen“的研究论文，固态氢在高达254GPa的压力下进行了单晶X射线衍射研究，揭示了从I相到III相和IV相的转变的晶体学性质。总之，通过克服一系列障碍，室温下H2的SXRD研究压力范围翻了一番，达到254 GPa，涵盖了I，III和IV相。 SXRD数据表明，H2中的这些高压转变不是由hcp结构的主要晶体学变化引起的，并且除了c / a比严重变形（各向异性增加）以外，其余均保持同构。随着下一代同步加速器纳米探针的问世，该工作为在更高压力-温度范围内使用直接SXRD研究探索氢的相图提供了机会。

　　最后，英国剑桥大学Bartomeu Monserrat等人在Nature在线发表题为"X-rays glimpse solid hydrogen’s structure"的点评文章，系统盘点了该研究成果，指出在未来几年中，实验可能会集中在更高的压力上。 但是，对于X射线技术研究元素变成原子和金属的压力将是一个挑战。 研究宇宙中最轻和最丰富的元素的激动人心的时代即将来临。

　　在过去的40年中，已报告了分子氢的七个高压固相-即，相I，II，II'（氘），III，IV，IV'和V—所有这些都是基于光学变化，例如拉曼光谱及红外光谱中的峰展宽，峰分裂和强度变化。第三和第四阶段显示出最大的光谱变化，是实验研究和理论解释的重点。

　　在室温下，I相在5 GPa至190 GPa范围内是稳定的，自由旋转的氢分子形成hcp晶体结构，这是通过单晶X射线衍射（SXRD）确定的。II相是低温（<130 K）相，其拉曼和红外光子发生微小变化，显示出hcp晶格上氢分子的量子取向顺序。III相出现在150 GPa以上（低温），在拉曼光谱，红外振动子和旋转子中主要发生移动，分裂和强化，这被解释为经典取向氢分子的有序化，晶体结构保持接近hcp。

　　与阶段I，II和III的单一振动模式相比，在室温同时压强高于220 GPa的条件下发现的阶段IV表现出两种不同的振动模式，其压力相关性变宽，并且第一振动子出现陡峭的频率下降。从理论上讲，对于相IV，提出了具有新颖的交替分子层和类石墨烯层的基本结构变化。在室温下同时在较高的压力下，据报告相IV'（270 GPa）和相V（325 GPa）相较于相IV在拉曼光谱中有相对细微的改变，它们的结构略有改变。自发现氢以来，关键阶段IV的直接晶体学信息一直是氢研究的重点，但尚未发表成功的结果。

　　金刚石砧盒（DAC）与同步加速器X射线衍射（XRD）结合使用是确定100 GPa以上氢的晶体结构的唯一可行方法。在高达200 GPa的压力下对氢气应用XRD提出了许多艰巨的挑战。 X射线散射能力与原子序数的平方成正比。原子数为1时，氢具有最低的散射能力，由于其极高的可压缩性，XRD峰移动到较小的d间距以及极强的德拜-华勒效应（Debye-Waller effect），氢在高压下会进一步减小。许多研究超高压氢的实验小组一直在努力将氢XRD推至更高的压力，但障碍是巨大的。在过去十年中进行的数百次实验以破碎的钻石结束，而没有可发布的结构信息。

　　对于该研究，固态氢在高达254GPa的压力下进行了单晶X射线衍射研究，揭示了从I相到III相和IV相的转变的晶体学性质。在压缩下，氢分子保留在六方密堆积（hcp）晶格结构中，伴随各向异性的单调增加。此外，进入阶段IV时，晶胞体积的压力依赖性减小表现出斜率变化，表明是二阶等构相转变。结果表明，外来两组分原子氢的前体可能由高度扭曲的hcp布里渊区和分子对称性断裂引起的电子跃迁组成。

　　总之，通过克服一系列障碍，室温下H2的SXRD研究压力范围翻了一番，达到254 GPa，涵盖了I，III和IV期。SXRD数据表明，H2中的这些高压转变不是由hcp结构的主要晶体学变化引起的，并且除了c / a比严重变形（各向异性增加）以外，其余均保持同构。随着下一代同步加速器纳米探针的问世，该工作为在更高压力-温度范围内使用直接SXRD研究探索氢的相图提供了机会。