《Nature》：人類首次“看”到氫的金屬態！

　　2020年1月19日，馬斯克創造人類航天新壯舉！空中炸毀火箭，然后成功實現載人艙逃逸。這是繼回收火箭后的又一創舉！用不了多久，你可能會坐著火箭，吐槽駕駛艙空間能不能再大一些。燃料箱中的燃料決定了你這次火箭旅行的行程距離和舒適度。據了解，目前我國的長征五號采用無毒無污染的液氧、液氫和煤油作為推進劑，那么如果換做是“金屬氫”呢？那豈不是體積小，能量高的好燃料！此外，金屬氫的爆炸威力相當于相同質量TNT炸藥的25—35倍，是目前已知的威力最強大的化學爆炸物。物理學家預計，固態金屬氫能在室溫下無電阻地傳導電流的特性將使其成為一種實用的室溫超導材料。

　　想象很美好，現實很殘酷！尋“氫”金屬相之路，崎嶇坎坷。早在1935年，英國物理學家貝納爾就預言，在一定的高壓下，任何絕緣體都能變成導電的金屬，只是，不同的材料轉變成導電金屬所需的壓力不同而已。固態氫在高壓下，氫氣的共價鍵會轉變成金屬鍵，表現出導電性。金屬氫是一種室溫超導體，是高密度、高儲能材料，被譽為高壓物理圣杯！經過半個多世紀的努力，直至近日才被科學家在400萬個大氣壓下，用同步輻射紅外“看見”！2020年1月29日，法國原子能和替代能源委員會物理學家Paul Loubeyre在極端壓力和低溫下，致密氫的光學反射率呈現出不連續且可逆的變化，這可歸因于固態氫相轉變為金屬氫。相關論文以“Synchrotron infrared spectroscopic evidence of the probable transition to metal hydrogen”為題，發表在《Nature》雜志。

　　通常的做法就是采用金剛石砧室來實現超高壓，用于研究材料在高密度下的物理特性變化。如下圖所示，樣品被限制在薄金屬箔中間的微小腔體中，并置于兩個金剛石砧之間。這看似簡單的物理概念：壓力與接觸面積成反比，即接觸面積越小，壓力越大！但這里有一個固有缺陷：想要達到極大的壓力，那么處理的樣品量勢必極小，才足以保證足夠小的接觸面積。

　　過去的半個多世紀，科學家已經突破的壓力的極限，完善了估算壓縮氣體微觀樣品表面壓力所需的工具與方法，然而測得壓力的準確性以及得出的結果仍存在爭議。基于此，Loubeyre和同事開發出一種新方法，采用聚焦離子束銑削的技術，在鉆石砧上進行精確雕刻，獲得特殊形狀的鉆石砧，實現了兩個優點：1、能夠產生極端壓力，同時可以對樣品表面的壓力進行可靠的估算，據了解采用異型砧，產生的極端壓力超過400GPa（大約是地球大氣壓力的400萬倍）；2、砧座的形狀有助于光學測量致密氫樣品，可以和同步輻射紅外聯用。

圖1.壓力增加對冷固體氫的影響。(a)當施加的壓力為1GPa時，樣品對于紅外可見光表現出透明狀態。

　　在極端壓力下，氫變得越發致密，對可見光變得越來越不透明。對于超過300 GPa的壓力，固體氫只能通過比可見光能量低的電磁輻射，如紅外輻射才能穿透（圖1b），Loubeyre利用同步輻射源產生的近中紅外輻射測得的固體氫在此壓力下的光學透明性更高。

圖1.壓力增加對冷固體氫的影響。（b）當壓力超過300GPa時，稠密的氫在可見光下變得不透明。

　　作者發現，當壓力升高到425 GPa以上時，壓縮氫氣樣品會阻擋所有光線，與此同時反射率的突然增加（圖1c）。此外，他們發現這種轉變是可逆的！作者將光反射率的變化歸因于壓力誘導相變，在這種狀態下，氫中的電子能夠像金屬中的電子一樣自由移動。氫可以作為分子固體一直保持在轉變壓力，但是很難在極端條件下去證實這一狀態！在這些極端條件下，光和物質之間的耦合會減少。同步輻射紅外是由相對論性電子在磁場中沿著曲線軌跡運動產生的，同步輻射的光源亮度比常規紅外的光源高出2-3個數量級，采用同步輻射紅外，極大的提高了空間分辨率和信噪比。作者將特殊構造的鉆石砧和同步輻射紅外連用，觀測到了“金屬氫”。

圖1.壓力增加對冷固體氫的影響。（c）當壓力超過450GPa，樣品對于紅外可見光產生了反射，這就是傳說中的氫的金屬態。

　　當然，說實話證明氫的金屬態的存在，最好的方法是測量樣品在高壓下電導率與溫度的函數關系。固體氫應表現出高水平的導電性，并且隨著樣品溫度的升高，電阻降低。然而，目前的實驗技術，測量極端條件下固體氫的電子傳輸能力仍然是一個巨大的挑戰（小編：看來Nature、Science還有得發！）。

圖2.氫氣樣品在不同壓力下的照片。

　　盡管如此，同期《Nature》雜志刊登了加拿大渥太華大學大學Serge Desgreniers教授同期在《Nature》上發表評論：“Loubeyre和同事的發現是在極端壓力條件下致密氫達到金屬狀態的接近確定性的證據，是尋找金屬氫歷程中的里程碑進展。”與此同時，他指出目前仍存在許多問題，例如：1、是否可以在金屬轉變測量過程中測量電阻率？2、金屬氫是室溫超導嗎？3、在超高壓下，氫氣分子的有序性會被破壞并形成原子相嗎？為了回答這些問題，進一步揭示和理解氫在極端密度下的特性，世界各國不同的研究小組之間的競爭仍然很激烈，期待更多更令人興奮的發現。