氫是宇宙中最豐富的元素，氣態(tài)的氫很簡(jiǎn)單，而固態(tài)氫卻非常復(fù)雜。早在1935年，理論物理學(xué)家尤金·維格納（EugenePaulWigner）就曾作出預(yù)測(cè)，在極端的高壓（超過(guò)地球表面大氣壓的400萬(wàn)倍）下，固態(tài)氫應(yīng)該可以表現(xiàn)出導(dǎo)體的性質(zhì)，這意味著這種狀態(tài)下的氫可以導(dǎo)電。
自這一預(yù)測(cè)被提出以來(lái)，一場(chǎng)拉鋸戰(zhàn)式的搜尋競(jìng)賽便由此展開(kāi)了。長(zhǎng)期以來(lái)，世界各地的科學(xué)家都在試圖尋找金屬氫，雖然有時(shí)他們會(huì)得到一些似是而非卻令人欣喜的結(jié)果，然而要在如此高的壓強(qiáng)下通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)證實(shí)這個(gè)預(yù)測(cè)是極其困難的。
在過(guò)去的幾年里，許多科研團(tuán)隊(duì)都在壓縮氫，以及在高壓下探測(cè)氫的特性方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展。最近，一項(xiàng)由法國(guó)原子能委員會(huì)的PaulLoubeyre領(lǐng)導(dǎo)的研究發(fā)現(xiàn)了迄今為止能證明金屬氫存在的最有力證據(jù)，研究結(jié)果被發(fā)表在了近期的《自然》期刊上。
這是一項(xiàng)里程碑式的發(fā)現(xiàn)，然而，這是否足以讓整個(gè)相關(guān)領(lǐng)域確信金屬氫的存在呢？對(duì)此，無(wú)論是Loubeyre還是其他科學(xué)家均表示，研究還沒(méi)有結(jié)束。
在新的研究中，Loubeyre和他的團(tuán)隊(duì)使用了一種被稱為“金剛石壓砧”的裝置，他們將氫樣本置于兩個(gè)金剛石尖端之間，再對(duì)氫進(jìn)行壓縮。金剛石壓砧是這類研究通常會(huì)采用的常規(guī)方法。但Loubeyre等人使用的是一種相對(duì)較新的金剛石壓砧，被稱為環(huán)形金剛石壓砧，其特殊的金剛石尖端設(shè)計(jì)可以使其承受更高的壓強(qiáng)。
傳統(tǒng)金剛石壓砧藝術(shù)構(gòu)想圖圖示。圖片來(lái)源：勞倫斯利福摩爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室
他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)壓強(qiáng)越來(lái)越大，致密的氫在可見(jiàn)光下會(huì)開(kāi)始變得越來(lái)越不透明，即其反射率越來(lái)越高。當(dāng)壓力超過(guò)300GPa（3000億帕斯卡）時(shí)，只有能量比可見(jiàn)光低的電磁輻射，如紅外光，可以穿透固態(tài)氫。
在80K的溫度下，當(dāng)壓強(qiáng)增加到425GPa時(shí)，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(kāi)始變得不再透明。研究人員認(rèn)為，固態(tài)氫的反射率在這種壓強(qiáng)和溫度條件下所呈現(xiàn)出的不連續(xù)的可逆變化，正是氫從固態(tài)轉(zhuǎn)變成金屬態(tài)的證據(jù)。
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研究一經(jīng)發(fā)表，就得到了許多相關(guān)領(lǐng)域研究人員的關(guān)注。大家普遍認(rèn)為這一結(jié)果幾乎是證明產(chǎn)生了金屬氫的決定性證據(jù)，是一個(gè)里程碑式的發(fā)現(xiàn)，它將引領(lǐng)對(duì)氫的金屬屬性以及在更高的壓強(qiáng)下所具有的屬性展開(kāi)進(jìn)一步探索。
然而，宣布一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)并非像打開(kāi)電燈的開(kāi)關(guān)一般簡(jiǎn)單，很多時(shí)候更像是在調(diào)節(jié)一個(gè)調(diào)光器。雖然目前這篇論文已經(jīng)正式發(fā)表，但研究人員并沒(méi)有斷言他們已經(jīng)觀測(cè)到了金屬氫。正如他們?cè)谡撐臉?biāo)題中所強(qiáng)調(diào)的那樣，他們看到的是“可能過(guò)渡到金屬氫”的證據(jù)。
由于受到實(shí)驗(yàn)設(shè)備的靈敏度的限制，他們無(wú)法完全排除存在一個(gè)小的能帶間隙的可能性，這是將材料轉(zhuǎn)變成導(dǎo)體所需輸入的少量能量。如果這樣的能帶間隙確實(shí)存在，那么就不能證明他們制造出了金屬氫。雖然研究人員認(rèn)為這樣的能帶間隙存在的可能性很小，但要真正確定制造出了金屬氫，就必須徹底排除它存在的可能。
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其實(shí)，若要確切地證明是否出現(xiàn)了金屬氫，只需在高壓下對(duì)氫樣本的電導(dǎo)率進(jìn)行測(cè)量。按照預(yù)期，固體氫應(yīng)該表現(xiàn)出高水平的導(dǎo)電性能，且其導(dǎo)電性能會(huì)隨著溫度的升高而降低。然而，這是一項(xiàng)非常困難的測(cè)量，因?yàn)樗枰獙⑽⑿碗姌O置于金剛石的尖端，只與少量的高壓固態(tài)氫相接觸。
在一項(xiàng)相關(guān)研究中，由MikhailEremets領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在另一篇論文中報(bào)道了他們?cè)?50GPa和440GPa的壓強(qiáng)之間對(duì)固體氫進(jìn)行電導(dǎo)率測(cè)量的結(jié)果。結(jié)果顯示，在這個(gè)壓強(qiáng)區(qū)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(jié)合在一起，而不是以處于一張自由移動(dòng)電子的網(wǎng)中的原子核存在。
對(duì)此，Loubeyre回應(yīng)道，不同研究所采用的壓強(qiáng)測(cè)量方法也略有不同，根據(jù)他們自己的計(jì)算，他們認(rèn)為Eremets團(tuán)隊(duì)測(cè)得的440GPa實(shí)際上可能在390GPa左右。目前，搜索仍在繼續(xù)。
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總的來(lái)說(shuō)，新的研究結(jié)果是令人興奮的。研究人員通過(guò)將創(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，找到了能證明氫在高壓下開(kāi)始表現(xiàn)得類似金屬的證據(jù)，離徹底證明幾十年前的預(yù)測(cè)又前進(jìn)了一大步。與此同時(shí)，它還讓我們意識(shí)到，在科學(xué)上做出一個(gè)結(jié)論性的結(jié)論，如“我們已經(jīng)創(chuàng)造了金屬氫”，是件多么困難的事，它需要多個(gè)科研團(tuán)隊(duì)制造出大量證據(jù)和驗(yàn)證才可能實(shí)現(xiàn)。
目前，仍有許多問(wèn)題有待解答。例如，能否通過(guò)金屬躍遷來(lái)測(cè)量導(dǎo)電性？高溫超導(dǎo)能在氫中實(shí)現(xiàn)嗎？在超高壓下，分子的秩序會(huì)被打亂，導(dǎo)致原子相變?yōu)楣虘B(tài)嗎？可以預(yù)見(jiàn)，為了解答這些問(wèn)題，并進(jìn)一步地揭示和理解極度致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(xù)展開(kāi)激烈的競(jìng)爭(zhēng)。
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