你想知道的關於金屬氫的一切都在這裡了

2021-01-14 MRE期刊

    氫的行為表現出強烈的量子效應，其核量子效應比任何其他原子都大，這就解釋了氫原子獨特的行為。固體氫具有巨大的量子零點能，遠大於其熔化潛熱，德拜溫度遠高於熔化溫度。這些因素決定了氫在稠密狀態下的奇異行為。目前已知氫的五個固相（見圖1），這是穩定元素中獨一無二完整的結構信息（例如原子位置和分子的形狀）。

    根據維格納和亨廷頓及其他人的早期預測，如果氫分子被解離並形成一個純原子的鹼金屬固體，該固體可以表現出室溫超導電性。事實上，100多年前，朗繆爾就嘗試第一次打破氫鍵。他們證明，需要極端條件才能做到這一點；比如氫分子在高溫下（在3000 K時，解離度約為10%）可以發生很小的程度的解離。另一個破壞氫鍵的機制是採用高壓。然而，通過高壓獲得原子金屬態的路徑已被證明是高壓物理學中的一個重大的實驗挑戰，儘管技術進步，這種理論預測仍有待實驗證實。然而，最近對第五相的發現和研究提供了實驗建議，即解離將伴隨著金屬化，並且隨著壓強的增加，這兩種變化同時並逐漸發生。

    液態氘中的絕緣體到金屬的轉換最近在衝擊波實驗中觀察到。然而，觀察到的氘的金屬液態存在於相對較高的溫度下（大約在1000 K），這不是理論預測的基態。我們只關注氫（和氘）的金屬態及其在「低溫」（即約等於或低於300 K）下的性質。

氫在金剛石壓砧中凝固後，用拉曼光譜對其進行了研究，壓強最高約為66 GPa。研究發現，一開始氫分子內振動頻率隨著壓強的增加而增加，然而超過33 GPa後，隨著壓強的增加而開始降低。由于振動頻率是H-H鍵能的一種量度，因此可以推斷在某個非常高的壓強下，分子鍵將被破壞，氫分子可以轉化為類似於Li或Na的鹼金屬。

儘管金剛石壓砧的樣品環境受到限制，但探針可用於評估「金屬豐度」。然而，所有這些探針都有局限性，與達到350 GPa以上壓強所需的小尺寸（2–3 μm）的氫樣品一起採集時，容易導致對數據的誤判，進而導致錯誤的氫金屬化的推斷。

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