85年前預言的金屬氫,被創造出來了?

來源：原理

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氫是宇宙中最豐富的元素，氣態的氫很簡單，而固態氫卻非常複雜。早在1935年，理論物理學家尤金·維格納（Eugene Paul Wigner）就曾作出預測，在極端的高壓（超過地球表面大氣壓的400萬倍）下，固態氫應該可以表現出導體的性質，這意味著這種狀態下的氫可以導電。

自這一預測被提出以來，一場拉鋸戰式的搜尋競賽便由此展開了。長期以來，世界各地的科學家都在試圖尋找金屬氫，雖然有時他們會得到一些似是而非卻令人欣喜的結果，然而要在如此高的壓強下通過實驗來證實這個預測是極其困難的。

在過去的幾年裡，許多科研團隊都在壓縮氫，以及在高壓下探測氫的特性方面取得了長足的進展。最近，一項由法國原子能委員會的Paul Loubeyre領導的研究發現了迄今為止能證明金屬氫存在的最有力證據，研究結果被發表在了近期的《自然》期刊上。

這是一項裡程碑式的發現，然而，這是否足以讓整個相關領域確信金屬氫的存在呢？對此，無論是Loubeyre還是其他科學家均表示，研究還沒有結束。

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在新的研究中，Loubeyre和他的團隊使用了一種被稱為「金剛石壓砧」的裝置，他們將氫樣本置於兩個金剛石尖端之間，再對氫進行壓縮。金剛石壓砧是這類研究通常會採用的常規方法。但Loubeyre等人使用的是一種相對較新的金剛石壓砧，被稱為環形金剛石壓砧，其特殊的金剛石尖端設計可以使其承受更高的壓強。

○ 傳統金剛石壓砧藝術構想圖圖示。| 圖片來源：勞倫斯利福摩爾國家實驗室

他們發現，當壓強越來越大，緻密的氫在可見光下會開始變得越來越不透明，即其反射率越來越高。當壓力超過300GPa（3000億帕斯卡）時，只有能量比可見光低的電磁輻射，如紅外光，可以穿透固態氫。

在80K的溫度下，當壓強增加到425GPa時，被壓縮的氫樣本的反射率急劇增加，可以阻隔所有的光。這意味著即便在紅外線下它也開始變得不再透明。研究人員認為，固態氫的反射率在這種壓強和溫度條件下所呈現出的不連續的可逆變化，正是氫從固態轉變成金屬態的證據。

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研究一經發表，就得到了許多相關領域研究人員的關注。大家普遍認為這一結果幾乎是證明產生了金屬氫的決定性證據，是一個裡程碑式的發現，它將引領對氫的金屬屬性以及在更高的壓強下所具有的屬性展開進一步探索。

然而，宣布一項發現並非像打開電燈的開關一般簡單，很多時候更像是在調節一個調光器。雖然目前這篇論文已經正式發表，但研究人員並沒有斷言他們已經觀測到了金屬氫。正如他們在論文標題中所強調的那樣，他們看到的是「可能過渡到金屬氫」的證據。

由於受到實驗設備的靈敏度的限制，他們無法完全排除存在一個小的能帶間隙的可能性，這是將材料轉變成導體所需輸入的少量能量。如果這樣的能帶間隙確實存在，那麼就不能證明他們製造出了金屬氫。雖然研究人員認為這樣的能帶間隙存在的可能性很小，但要真正確定製造出了金屬氫，就必須徹底排除它存在的可能。

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其實，若要確切地證明是否出現了金屬氫，只需在高壓下對氫樣本的電導率進行測量。按照預期，固體氫應該表現出高水平的導電性能，且其導電性能會隨著溫度的升高而降低。然而，這是一項非常困難的測量，因為它需要將微型電極置於金剛石的尖端，只與少量的高壓固態氫相接觸。

在一項相關研究中，由Mikhail Eremets領導的研究小組在另一篇論文中報導了他們在350GPa和440GPa的壓強之間對固體氫進行電導率測量的結果。結果顯示，在這個壓強區間，氫仍然以分子固體的形式存在，這意味著它的原子仍然結合在一起，而不是以處於一張自由移動電子的網中的原子核存在。

對此，Loubeyre回應道，不同研究所採用的壓強測量方法也略有不同，根據他們自己的計算，他們認為Eremets團隊測得的440GPa實際上可能在390 GPa左右。目前，搜索仍在繼續。

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總的來說，新的研究結果是令人興奮的。研究人員通過將創新的超高壓產生技術與先進的同步輻射實驗方法相結合，找到了能證明氫在高壓下開始表現得類似金屬的證據，離徹底證明幾十年前的預測又前進了一大步。與此同時，它還讓我們意識到，在科學上做出一個結論性的結論，如「我們已經創造了金屬氫」，是件多麼困難的事，它需要多個科研團隊製造出大量證據和驗證才可能實現。

目前，仍有許多問題有待解答。例如，能否通過金屬躍遷來測量導電性？高溫超導能在氫中實現嗎？在超高壓下，分子的秩序會被打亂，導致原子相變為固態嗎？可以預見，為了解答這些問題，並進一步地揭示和理解極度緻密的氫所能擁有的屬性，不同研究小組之間除了相互合作之外，也將繼續展開激烈的競爭。