85年前预言的金属氢，被创造出来了？

早在1935年，理论物理学家尤金·维格纳就预言，在极高的压力下，固态氢应该能够表现出导体的性质，这意味着处于这种状态的氢可以导电。

○传统钻石砧意境图。|照片来源:劳伦斯·利弗莫尔国家实验室

氢是宇宙中最丰富的元素。气态氢非常简单，而固态氢非常复杂。早在1935年，理论物理学家尤金·维格纳就预言，在极高的压力下(超过地球表面大气压的400万倍)，固态氢应该能够表现出导体的性质，这意味着处于这种状态的氢可以导电。

自从这一预测提出后，一场拉锯战开始了。长期以来，全世界的科学家都在试图寻找金属氢。虽然他们有时会得到一些似是而非但令人满意的结果，但在如此高的压力下通过实验证明这一预测是极其困难的。

在过去的几年里，许多科学研究小组在压缩氢气和在高压下探测其特性方面取得了巨大的进展。最近，法国原子能委员会的保罗·劳贝尔领导的一项研究发现了迄今为止证明金属氢存在的最强有力的证据。这项研究的结果发表在最近的《自然》杂志上。

这是一个里程碑式的发现，然而，这足以使整个相关领域相信金属氢的存在吗？作为回应，Loubeyre和其他科学家都说这项研究还没有结束。

在新的研究中，Loubeyre和他的团队使用了一种叫做“钻石砧”的装置。他们将一个氢样本放在两个钻石尖端之间，然后压缩氢。钻石砧是这类研究的常用方法。然而，Loubeyre等人使用了一种相对较新的金刚石砧，称为环形金刚石砧。它特殊的钻石尖端设计可以使它承受更高的压力。

他们发现，随着压力的增加，稠密的氢在可见光下会变得越来越不透明，即其反射率会越来越高。当压力超过300 GPA(3000亿帕斯卡)时，只有能量低于可见光的电磁辐射，如红外光，才能穿透固体氢。

在80K，当压力增加到425GPa时，压缩氢样品的反射率急剧增加，这可以阻挡所有的光。这意味着它甚至在红外线下也开始变得不透明。研究人员认为，在这种压力和温度条件下，固态氢反射率的不连续可逆变化是氢从固态变为金属态的证据。

这项研究一经发表，就引起了许多相关领域研究人员的注意。人们普遍认为，这个结果几乎是证明金属氢产生的决定性证据，而且是一个里程碑式的发现。这将导致对氢的金属性质及其在更高压力下的性质的进一步探索。

然而，宣布一项发现并不像打开电灯开关那么简单。这更像是调整调光器。尽管这篇论文已经正式发表，研究人员并没有声称他们已经观察到了金属氢。正如他们在论文标题中所强调的，他们所看到的是“向金属氢的可能转变”的证据

受实验设备灵敏度的限制，他们不能完全排除小带隙的可能性，即把材料转变成导体所需的少量能量输入。如果这样的带隙确实存在，那么就不能证明它们产生了金属氢。尽管研究人员认为这种带隙的可能性非常小，但如果要真正产生金属氢，就必须完全排除它存在的可能性。

事实上，如果你想证明是否有金属氢，你只需要测量高压下氢样品的电导率。预计固体氢应该表现出高水平的导电性，并且其导电性将随着温度的升高而降低。然而，这是一个非常困难的测量，因为它需要将微电极放置在金刚石的尖端，并且只与少量高压固体氢接触。

在一项相关的研究中，由米哈伊尔·埃雷梅特领导的研究小组在另一篇论文中报道了他们对固体氢电导率测量的结果，测量值在350GPa和440GPa之间。结果表明，在这个压力范围内，氢仍然以分子固体的形式存在，这意味着它的原子仍然结合在一起，而不是以原子核的形式存在于*移动的电子网络中。

对此，Loubeyre表示，不同研究机构采用的压力测量方法也略有不同。根据他们自己的计算，他们认为艾瑞梅特团队测量的440GPa实际上可能在390 GPa左右。目前，搜索仍在继续。

总的来说，新的研究结果令人兴奋。通过将创新的超高压产生技术与先进的同步辐射实验方法相结合，研究人员发现了氢在高压下开始表现得像金属一样的证据，这比完全证明几十年前的预测前进了一大步。同时，它也让我们意识到在科学上做出结论是多么困难，比如“我们创造了金属氢”。它需要许多科学研究团队在实现之前提供大量的证据和验证。

目前，仍有许多问题需要回答。例如，电导率可以通过金属跃迁来测量吗？高温超导能在氢中实现吗？在超高压下，分子秩序会被破坏，导致原子相变成固体吗？可以预见，为了回答这些问题，进一步揭示和理解极稠密氢的性质，除了相互合作之外，不同的研究团体将继续激烈竞争。

参考链接:

[1]https://www.nature.com/articles/s41586-019-1927-3

[2]https://www.nature.com/articles/d41586-020-00149-7#ref-CR1

[80年后科学家们几乎可以肯定