X射線看到的固態氫結構

原文作者：Bartomeu Monserrat &Chris J. Pickard

人們對氫在極高壓下的性質知之甚少。現在有實驗揭示了氫在高壓下分子排列的關鍵細節。

氫是宇宙中最豐富的元素。我們對天體的認識，依賴於對這種元素在極端溫度和極端壓力下的性質的了解，譬如太陽的成分約75%是氫[1]。在實驗室複製這些條件是非常具有挑戰性的，就連低溫下氫的高壓相結構也是一個懸而未決的問題。吉誠[2]等人在《自然》雜誌上發文，報導了在前所未有的壓力下探測氫結構的實驗，結果揭示了一種六邊形緊密排列的分子結構。

氫原子由一個質子和一個電子組成，雖然它很簡單，但是氫的高壓相卻豐富且複雜。氫在常溫常壓下是一種電絕緣體，但在極端壓力下會變成一種金屬[3]——譬如這種狀態可能幫助生成木星的磁場。此外，理論研究表明，金屬氫可能會表現出許多奇異現象，如高溫超導[4]（零電阻導電）或超流現象[5]（零摩擦流體流動）。

在過去的幾十年裡，通過將壓力增加到遠高於地心處的壓力，人們發現了氫的多個固態相。這些實驗都用到了金剛石對頂砧：先將氫樣品放入薄箔密封墊中，然後用螺絲將密封墊固定在兩個金剛石之間，即可對樣品中心施加極端壓力。

分析壓縮樣品的主要方法包括研究組成分子如何吸收紅外光（紅外光譜儀），或觀察它們如何散射光線（拉曼光譜儀）。這些方法讓我們可以洞悉分子的結構。過去的研究已經揭示，隨著壓力的增加，氫從一種晶狀固體（其中所有的分子具有相似的鍵長），轉變成一種混合相（不同鍵長的分子共存其中）[6,7]。實驗結果與理論模型一致[8]。

檢測材料長程有序性的主要技術是X射線衍射，原理是晶體中電子散射的X射線會相互幹涉。由此產生的衍射圖包含亮點——對應相長幹涉；以及暗點——來自相消幹涉。許多重要的科學發現，包括DNA的雙螺旋結構，都得益於X射線衍射技術。

可惜到目前為止，利用這項技術來研究高壓氫，都被證明是太具挑戰性了。一個主要的難點是，電子散射X射線的能力隨著組成材料的原子的質量的降低而降低。氫是最輕的元素，產生的信號特別微弱。因此，很難區分氫樣品中電子散射的X射線和周圍由重元素（如鎢或錸）製成的密封墊所散射的X射線。另一個挑戰是，用於給樣品施壓的金剛石在暴露於X射線的情況下，容易破裂，導致壓力損失。

由於這些困難，氫的X射線衍射研究以前最高只能達到190吉帕斯卡[9]（約為標準大氣壓的190萬倍）。這大約只是氫在金剛石對頂砧上所能承受的壓力的一半，還不足以研究氫元素最奇異的一些相態，比如混合相。

吉誠和他的同事們巧妙地解決了這些挑戰，在長達5年的時間裡，利用高達254吉帕斯卡的壓力，進行了100多次實驗。為了增加氫產生的信號與周圍環境的信號的對比，他們用的密封墊是由比鎢和錸輕的元素製成。作者還通過特別的實驗設計，在鑽石不可避免地破裂之前的那段短時間內產生了有用的數據。

研究結果揭示了氫分子在三種高壓固相（包括混合相）中的長程結構。在這三種固相中，氫分子呈六角密積結構（圖1），以六角稜鏡的形狀勻稱排列。不僅如此，增加壓力會擠壓稜柱體，使其變得越來越扁，越來越寬。

圖1極端壓力下的氫結構。吉誠等人的研究結果[2]表明，氫的三個高壓固相中的分子均為六角密積結構。這張圖是每個分子中兩個不斷移動的質子可能位置的快照。它還顯示了每個分子中兩個電子的電荷密度（從許多快照中取平均值）。

不過，仍有一些問題有待解答。與所有比氦重的元素不同，氫沒有緊密結合在原子核上的電子，氫分子中的電子位於分子鍵中。因此，這些電子對X射線的散射不能用來直接探測原子核在分子中的位置或分子的取向，而是探測分子鍵的位置。

因此，吉誠等人的X射線研究結果需要與其他實驗技術相結合，例如紅外光譜和拉曼光譜，也可以包括核磁共振光譜——該技術直到去年方能適用在上文所研究的極端壓力下[10]。將這些實驗結果與理論模型相結合，將使高壓氫相的完整表徵成為現實。

在此次X射線研究中所達到的壓力對應於電絕緣分子氫。在接下來的幾年裡，實驗的重點可能會放在更高的壓力上。然而，對X射線技術來說，在氫元素會轉向原子化和金屬化的壓力下開展研究，將是一個挑戰。在此相態下，電子不再處於分子鍵中；相反，結構中所有原子共享電子，因此不知道相應的X射線衍射圖會是什麼樣子。對宇宙中最輕、最豐富的元素的研究將迎來激動人心的時刻。

參考文獻：

1.Lodders, K.Astrophys. J.591, 1220–1247 (2003).

2.Ji, C.et al. Nature573, 558–562 (2019).

3.Dias, R. P. & Silvera, I. F.Science355, 715–718 (2017).

4.Ashcroft, N. W.Phys. Rev. Lett.21, 1748–1749 (1968).

5.Bonev, S. A., Schwegler, E., Ogitsu, T. & Galli, G.Nature431, 669–672 (2004).

6.Eremets, M. I. & Troyan, I. A.Nature Mater.10, 927–931 (2011).

7.Howie, R. T., Guillaume, C. L., Scheler, T., Goncharov, A. F. & Gregoryanz, E.Phys. Rev. Lett.108, 125501 (2012).

8.Pickard, C. J. & Needs, R. J.Nature Phys.3, 473–476 (2007).

9.Akahama, Y.et al. Phys. Rev. B82, 060101 (2010).

10.Meier, T.et al. Phys. Rev. X9, 031008 (2019).

原文以X-rays glimpse solid hydrogen’s structure為標題發表在2019年9月25日的《自然》新聞與觀點版塊

nature

Nature|doi:10.1038/d41586-019-02811-1

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