氫是宇宙中最豐富的元素。氣態(tài)的氫簡單，是常見的工業(yè)原料;液態(tài)的氫低溫復(fù)雜，甚至可以用作空間燃料;至于固態(tài)氫一直以來僅存在于科學(xué)界的預(yù)測中，被譽(yù)為高壓物理的圣杯。
日前，法國科學(xué)家Paul Loubeyre等人在《自然》雜志上撰文指出——致密氫在極端壓力和低溫下顯示出光學(xué)反射率的不連續(xù)且可逆的變化，這可歸因于氫相變?yōu)榻饘賾B(tài)。這是迄今為止能證明金屬氫存在的最有力證據(jù)。盡管Loubeyre以及同行們均表示，研究還沒有結(jié)束，但絲毫不影響這一里程碑式發(fā)現(xiàn)的重要意義。
85年前，美籍匈牙利理論物理學(xué)家尤金·維格納曾預(yù)言，在極端高壓(超過地球表面大氣壓的400萬倍)條件下，固態(tài)氫應(yīng)該可以導(dǎo)電，即表現(xiàn)出金屬性質(zhì)。自此，越來越多的科學(xué)家加入這場圍獵“金屬氫”的競賽。雖然偶爾會得到一些似是而非卻令人充滿希望的成果，然而要在如此高的壓強(qiáng)下通過實(shí)驗(yàn)來證實(shí)這個預(yù)測極其困難。2017年初，哈佛大學(xué)的物理學(xué)家曾宣布成功制備金屬氫，但隨后表示在進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)中，金剛石壓砧破裂導(dǎo)致樣本失壓變回氣態(tài)逃逸。
業(yè)界通常的做法是使用被稱為金剛石壓砧的設(shè)備來實(shí)現(xiàn)材料的超高壓縮，并研究高密度下材料物理特性的變化。通過金剛石砧盒擠壓樣品，樣品被限制在兩個金剛石砧之間的薄金屬箔中的微小腔室中(圖a)。該設(shè)備原理簡單：壓力與施加力的表面面積成反比。但也不可避免地存在一個固有缺陷：達(dá)到極高的壓力意味著要處理很小的樣品量。
Loubeyre領(lǐng)導(dǎo)的研究小組使用了環(huán)形金剛石壓砧裝置——他們將氫樣本置于兩個金剛石尖端之間，再對氫進(jìn)行壓縮。特殊的金剛石尖端設(shè)計可以使其承受的壓強(qiáng)高達(dá)400GPa(大約是地球大氣壓力的400萬倍, 比地球中心的壓力還要大)，同時這一裝置還助于限制適合光學(xué)測量的致密氫樣品。創(chuàng)新的超高壓產(chǎn)生技術(shù)與先進(jìn)的同步輻射實(shí)驗(yàn)方法相結(jié)合，Loubeyre找到了能證明氫在高壓下開始表現(xiàn)得類似金屬的證據(jù)——在零下190°C下，氫的行為與金屬相同：反射光。
在越來越高的極端壓力下，致密氫對可見光變得越來越不透明。對于超過約300 GPa的壓力，固體氫僅通過低于能量的電磁輻射可穿透變?yōu)榭梢姽猓缂t外輻射(圖b)。當(dāng)壓力升高到425 GPa以上時，壓縮的氫氣樣品會阻擋所有光線并顯示出光反射率的突然增加(圖c)。此外，他們發(fā)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)變是可逆的。但是很難通過光譜確認(rèn)這一點(diǎn)，因?yàn)樵谶@些極端條件下光與物質(zhì)之間的耦合降低了。
盡管如此，Loubeyre和他的同事們的發(fā)現(xiàn)依舊被認(rèn)為是致密氫在極端壓力條件下達(dá)到金屬態(tài)的近乎確定的證據(jù)。這一發(fā)現(xiàn)的前景重大，尤其對于行星的形成的研究，據(jù)推論，木星等氣態(tài)巨行星的核心含有金屬氫。此前，有理論物理學(xué)家預(yù)測，金屬氫能夠幫超導(dǎo)材料甩掉低溫的包袱，使其在更廣泛的環(huán)境中得到應(yīng)用，比如用金屬氫輸電，可以取消大型的變電站而輸電效率在99%以上，大大提高了全世界電量的利用率，降低了輸送成本;如果用金屬氫制造發(fā)電機(jī)，其重量不到普通發(fā)電機(jī)重量的10%，而輸出功率可以提高幾十倍乃至上百倍。不僅如此，金屬氫更是一種綠色高能燃料，是目前已知的含能密度最高的常規(guī)燃料，其能量儲存在化學(xué)鍵中，無需氧氣助燃即可釋放大量能量。如果能夠組成燃料電池應(yīng)用于現(xiàn)代交通工具，城市將變得十分清潔。
目前，仍有許多問題待解。例如，能否通過金屬躍遷來測量導(dǎo)電性?高溫超導(dǎo)能在氫中實(shí)現(xiàn)嗎?Loubeyre指出，在固態(tài)狀態(tài)下，與預(yù)期相反，“氫非常復(fù)雜”。我們用來描述材料的粗略理論并不完全適用于氫。
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