高压科学试图解开金属氢迷宫

科学家们正在探索氢最难以捉摸的相——固态金属氢的线索。发现它的奖励可能是室温超导——这是世界第一。但研究小组正在朝着同一个目标走不同的道路，一些人现在质疑，即使他们真的到达了那里，他们会发现什么。

氢金属的概念是由尤金·维格纳和希拉德·贝尔·亨廷顿于1935年首次提出他的理论是，在巨大的压力下，分子氢晶格会分裂成氢原子，电子会自由地在材料中流动。双方都同意，只有在氢气处于至少25GPa的压力下，这种状态才会显现出来。

根据今天的标准，这是一个相当温和的估计尤金Gregoryanz来自英国爱丁堡大学研究组在2016年1月发现了一种金属氢前体．¹格雷戈里扬茨说:“他们不知道氢的可压缩性有多强。”他指出，研究人员已经达到了比25GPa高10倍的压力，但仍然没有氢的金属状态的迹象。

比赛状态

格雷戈里扬茨的研究小组通过将氢气放在两颗钻石的扁平尖端之间，来探索室温下氢气的状态。尖端在一个金刚石砧槽(DAC)中慢慢地聚集在一起，该槽的温度保持在300K。使用这种方法，研究小组已经获得了高达388GPa的压力——通常是为行星中心保留的压力——但他们仍然没有找到金属氢。

然而，通过使用拉曼光谱探测加压氢，格雷戈里扬茨和他的同事们能够揭示元素的转变。气体最初转变为液态分子氢，然后迅速变成固体形式。随着压力的增加，氢分子从一种不同的晶体排列重新排列到另一种晶体排列，但金属相仍然难以捉摸。

到目前为止，研究人员已经发现了固体氢的几种相。在大多数情况下，这些结构看起来像较重化合物的常见晶体排列。在室温下，在180GPa左右的压力下，旋转的氢分子落入一个松散的六角形晶格中，称为第一相氢。在超过180GPa的轻微压缩后形成III阶段，共价键将分子锚定为六方三聚体。如果你能进一步施加压力，第四阶段将在230GPa时出现，自由旋转的氢分子将在三聚体层之间滑动。但所有这些相都是与金属材料无关的分子排列。

然而，今年早些时候，Gregoryanz的团队发现了高于325GPa的第五个阶段。研究人员认为，这种相是部分解离的氢分子，它可能部分类似于第四相的结构。这对研究人员来说很诱人:进一步挤压可以将V相固体转变为原子金属氢。

不错的利润

但有一个小组声称，他们已经看到了超越V相的相，而且它可能是金属性质的。在类似的装置中，将硫化氢放在铁砧下，而不是纯氢气，米哈伊尔·Eremets和他在德国马克斯·普朗克化学研究所的同事于2016年1月宣布，在爱丁堡小组发表论文一周后，第五阶段出现在270GPa的较低压力下。他们还宣布第六相氢的形成高于360GPa，但低于200K．²

“我们声称我们不仅发现了两个相，而且其中一个相是导电氢，”埃雷米茨说，他认为第六相很可能是金属的。

你必须非常非常小心你的陈述。很多人自欺欺人

社区能否确认这个新阶段还有待观察。但Gregoryanz表示，处理这种不确定性是一项艰巨的任务，考虑到钻石砧的极端条件，很难验证结果。他说:“复制这一技术极其困难——能把氢气装入DAC的团队并不多。”“然后，你必须有一个非常高质量的光学设置。”

否则，研究人员就有可能危及实验。格雷戈里扬茨解释说:“当你达到400GPa时，你谈论的是2微米的样本量。”在如此小的样本量下，用于拉曼分析的入射激光不可避免地会被钻石部分吸收。格雷戈里扬茨说，如果激光使用不当，它会迅速加热珍贵的铁砧，钻石可能会在细胞中破裂。

钻石恒久远

但有些研究小组可能会冒险使用激光加热氢本身，比如艾萨克Silvera以及他在美国哈佛大学的同事。这使它们走上了与Gregoryanz和Eremets的基团不同的通往金属氢的道路。

西尔维拉说:“你可以把氢气加热到100 - 200兆帕，然后加热到液相。”通过将氢气置于室温下的“适度”压力下，它将变成固体形式，这时西尔弗拉和他的同事们将温度升高，产生液体。他接着解释说，会有一个点，当这种液态分子相转变为液态原子状态，它应该表现得像金属。

为了达到这一目的，氢气再次被加压在一个钻石砧中，但在设置上有一个关键的区别-在钻石尖端涂上一层半透明的钨膜．^3.通过使用激光脉冲加热薄膜，该团队能够快速加热氢，同时还使用光来探测氢的反射率和透射率。他们估计氢气可以加热到2200K。

西尔维拉断言，短暂的激光脉冲不会破坏钻石，平均而言，它们将保持在室温。他说:“如果加热几百纳秒，就有足够的时间达到热平衡。”“我们很幸运，几乎没丢过钻石。”

这为他们提供了一个工作领域的机会，桑迪亚国家实验室的Z机器也正在探索，这是一个能够产生2700万安培的电脉冲发生器，氘在其中受到极端冲击波和磁场的影响。

然而，利用一个简陋的钻石砧，Silvera的团队观察到在高温下氢反射的光量急剧增加——这是绝缘体向金属转变的典型指标。但研究小组还不能肯定地说他们已经发现了纯原子金属氢。

最后的边界

对格雷戈里扬茨来说，这些探索未知的尝试性步骤令人兴奋，但他不确定这一探索最终会发现什么。他解释说，在如此高的压力下，金属氢可能只以超流体的形式存在——一种奇异的、无摩擦的物质状态。随着压力的增加，氢原子的能量越来越大，这可能会使稳定的固态永远无法达到。

如果金属氢是一种超流体，研究人员手中可能有一种难以理解的材料。“我们所知道的所有超导体都是固体……而所有超流体都是绝缘体，”格雷戈里扬茨评论道。“这种液氢同时是超导体和超流体——以前从未观测到过这样的现象。”

鉴于他们正在探索高压科学的极限，学术界不愿意排除固态金属氢。但格雷戈里扬茨认为，有一件事是肯定的。他说:“你必须非常、非常小心地陈述内容和方式。”“这么多人都在欺骗自己，真是难以置信。”