向金属氢冲刺，他们做了这件事

图中的两个钻石砧对称为钻石砧对，用于产生高达数百GPa的压力。高亮度同步辐射X射线穿透金刚石并照射高压氢气。高压氢和x光相互作用产生的信息显示了氢在原子尺度上的排列，即晶体结构。资料来源:HPSTAR

80多年前，一些人预测氢会在高压下演化成物质的“神奇”状态——金属氢。自理论预测获得以来，人工生产金属氢是高压物理学的主要核心挑战。对金属氢的追求促进了高压科学的技术发展。

最近，由北京高压科学研究中心主任毛河光带领的科研团队与国外科研机构的科学家合作，首次利用金刚石砧座技术和自行研制的同步辐射X射线衍射相关技术，实现了对220万个大气压以上固体氢第四相晶体结构的精确测量。

毛河光告诉中国科学新闻，这项工作解决了长期困扰高压氢研究的最基本和最紧迫的技术问题。这使法国和美国科学家此前保持的压力记录翻了一番。为今后在超高压下直接测量固体氢甚至金属氢的晶体结构提供了一种实用可行的技术手段。相关结果发表在《自然》杂志上。

“高压物理学圣杯”杯托

氢是宇宙中最丰富的元素。在常压下，两个氢原子结合形成氢分子。1935年，诺贝尔奖得主尤金·维格纳和物理学家希雷德·亨廷顿预言，氢将在25 GPa的高压下变成金属氢。

毛河光告诉记者，这种材料具有超高的能量密度。理论预测是室温超导体和超流体，甚至是一种可能被未知新物理机制控制的新凝聚态。同时，金属氢也被认为是木星和土星等主要行星上氢的一种重要形式。

因此，有人称金属氢为“高压物理学的圣杯”。一个世纪以来，高压学者们为使高压技术达到的压力接近预期条件进行了不懈的努力，并在此过程中发现了许多高压氢的新相。

然而，维格纳和亨廷顿显然低估了形成金属氢所需的压力。到目前为止，人类还没有实现金属氢在静态高压下的相变。后来的研究认为，金属氢相变的压力应该达到至少500 GPa。

500 GPa的概念是什么？这篇文章的第二作者、北京高压科学研究中心的研究员李冰告诉《中国科学日报》，地球中心的压力约为360 GPa。

如何获得如此高的压力？

李冰告诉记者，钻石砧压机通过将两块钻石压在一起，可以产生大约400 GPa的极限静压。这是达到如此高静压的唯一方法。

这篇文章的第一作者、北京高压科学研究中心的研究员季承告诉《中国科学杂志》，金属氢的发展现在已经进入白热化阶段。近年来，几个研究小组声称已经合成了金属氢，但是在工业上很难达成共识。一个很大的原因是，在极端的条件下，由于物理限制，测量方法往往是稀缺的，测量结果的准确性并不令人满意。此外，许多学者还没有充分认识到通过深入研究探索金属氢和氢金属化过程中所包含的新的物理机制的重要性。

如果金属氢是圣杯，那么高压下氢结构的同步测量就像圣杯的杯座。

季承告诉记者，最近开发的基于同步X射线辐射的微纳聚焦探头是解决这一难题的有效手段。

发丝上的“打怪物升级”

毛河光告诉记者，钻石砧上氢结构的同步单晶X射线衍射测量面临几个困难的挑战。

首先，氢会渗入钻石表面，造成“氢碎裂”。在用传统方法进行的实验中，研究人员发现，高达160 GPa的钻石铁砧就会断裂。

“我们的论文报道了22组实验的数据，但事实上我们做了100多组实验，花费了数百颗钻石。”季承告诉记者，“有时我日夜梦寐以求的样品最终已经准备好满足所需的压力条件，而钻石在实验测量的5分钟内就破碎了，没有收到任何数据。”

季承说:“在80%的实验会失败的情况下，我们必须坚持下去，相信只要方法正确，我们就会永远成功。”正是怀着这样的决心，我们终于在这个项目中取得了成功。"

此外，由于氢的X射线散射截面是所有元素中最小的，所以衍射信号非常弱，并且传统的密封垫片由金属铼、钨等制成。会形成强烈的干扰。即使使用最新一代的同步辐射光源，用X射线衍射法测量一百万个大气压以上固体氢的晶体结构也将面临巨大的挑战。

因此，一些外国科学家断言这样的实验是不可能的。

为此，研究人员开发了一种由氧化镁或立方氮化硼和环氧树脂制成的复合垫片。因为氧化镁或立方氮化硼是具有弱X射线衍射强度的材料，并且环氧树脂是无定形的，所以由密封衬垫产生的衍射信号非常弱。用密封垫包裹氢气样品可以一石二鸟，不仅解决了“氢气碎裂”的问题，还解决了金属密封垫的信号干扰，使得从氢气中捕获微弱的X射线衍射信号成为可能。

然而，问题又出现了。虽然解决了密封垫片的信号干扰和极限压力的求解，但在超高压下，应采用什么测量方法来测量氢分解成粉末的X射线衍射？样品尺寸太小，直径只有5微米，厚度只有1微米。相比之下，每根发丝的直径为40微米。实验证明，美国阿尔贡国家实验室先进质子源的6×7平方微米光斑和3×2平方微米光斑都不能直接测量有效信号。

“我们总是说我们应该站在巨人的肩膀上。在项目开始时，我们仍有一些参考资料，但没有人能告诉我们此时该做什么。”季承说，“我们从原理上思考并探索如何逐一解决技术问题。当一个问题解决了，下一个问题就出现了。然后我们将继续解决问题，直到我们通过所有的检查站。”

季承很享受这一过程，他将研究过程视为“责备的升级”。

最后，毛河光带领研究团队通过使用高亮度亚微米聚焦X射线束(300纳米)和多通道准直器技术，成功收集了氢的20-250千兆帕的X射线衍射数据，涵盖了氢的第一、第三和第四阶段。

金属氢冲刺的重要一步

毛河光告诉《中国科学新闻》，先前“看不见的”高压氢结构是在x光下测量的，从而使他们能够成功地理解氢的第四相的晶体结构。令人惊讶的是，氢分子仍然像雪花一样呈六角形对称排列。经过两次等结构转变后，六角氢分子晶体在高压下逐渐变平，导致电子结构转变形成第四相。

“第四相是连接普通固体氢和外来金属氢的关键相，所以我们必须了解它的晶体结构。”季承说。

毛河光说，这项研究表明，等结构电子相变可能是固体氢中许多相变的常见形式，为理解高压下氢的相变途径提供了一种新的途径。

“氢的金属化一直是高压科学的焦点和热点。在过去的30年里，甚至有超过四个耸人听闻的新闻报道说有人成功地合成了金属氢。然而，它是基于单一的间接表征，如样品变黑，不透明，反射，电导率等，所有这些都是孤立的情况，没有重复验证。即使它是真正的金属，缺乏可靠的性能测定只是一个记录，并没有什么物理意义。我们不仅将致力于在实验室条件下“创造”金属氢，更重要的是，我们将致力于对其进行可靠的表征，从而发现和理解金属氢的新的物理形式和特性，并为拓宽物理理论的理解提供可靠的实验参考。”毛河光告诉记者。

尽管人类还没有意识到金属氢在静压下的相变，但是，“这项工作是从晶体结构理解金属氢的坚实一步。”毛河光评论道。

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41586-019-1565-9