將氣態氫轉化為固態金屬的競賽

科學家們正在探索關於氫最難以捉摸的相——固態金屬氫的線索。發現它的獎勵可能是室溫超導性——這將是世界首創。但是，研究小組正在採取不同的路徑來實現相同的目標，有些人現在質疑如果他們真的到達那裡，他們會發現什麼。

金屬氫的概念最早由尤金·維格納和希拉德·貝爾·亨廷頓在1935年提出，他們推測在巨大的壓力下，分子氫晶格將分裂成原子氫，電子自由地在材料中流動。兩人都認為，只有將氫置於至少25GPa的壓力下，這種狀態才會顯現出來。

英國愛丁堡大學的尤金·格雷戈裡安茨表示，以今天的標準來看，這只是一個相當保守的估計。他的小組在2016年1月發現了金屬氫的前驅體。“他們不知道氫的可壓縮性有多強，”格雷戈裡安茨說。他指出，研究人員已經達到了比25GPa高10倍的壓力，但仍然沒有發現氫的金屬態。

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現狀

格雷戈裡安茨的小組正在透過將氣體置於兩個金剛石扁平尖端之間來探索氫在室溫下的狀態。尖端在金剛石壓砧電池（DAC）中慢慢靠攏，電池的溫度保持在300K。使用這種方法，該團隊已經實現了高達388GPa的報告壓力——這種壓力通常是行星中心才有的——但他們仍然沒有發現金屬氫。

然而，透過使用拉曼光譜探測受壓的氫，格雷戈裡安茨和他的同事們能夠揭示該元素的轉變。氣體最初轉變為液態分子氫，然後迅速採用固體形式。隨著壓力的增加，氫分子從一種獨特的晶體排列方式重新排列到另一種，但金屬相仍然難以捉摸。

到目前為止，研究人員已經發現了固態氫的幾個相。在很大程度上，這些結構看起來像較重化合物的常見晶體排列方式。在室溫下，在高達約180GPa的壓力下，旋轉的氫分子落入鬆散的六邊形晶格中，稱為I相氫。在超過180GPa的輕微壓縮後形成III相，共價鍵將分子錨定到六邊形三聚體中。如果您能夠進一步壓下它，IV相將在230GPa時出現，並且自由旋轉的氫分子將滑入三聚體層之間。但是所有這些相都是分子排列，與金屬材料無關。

然而，今年早些時候，格雷戈裡安茨的團隊在325GPa以上發現了第五相。研究人員認為，這一相是部分離解的分子氫，可能在某種程度上類似於IV相的結構。這對研究人員來說是誘人的：進一步擠壓可能會將這種V相固體轉變為原子金屬氫。

細微的差異

但有一個小組聲稱他們已經看到了V相之外的相，並且它可能是金屬性質的。在類似的設定中，但將硫化氫置於壓砧下，而不是純氫氣，米哈伊爾·埃雷梅茨和他在德國馬克斯·普朗克化學研究所的同事在2016年1月，愛丁堡小組發表文章一週後宣佈，V相出現在較低的壓力270GPa下。他們還宣佈VI相氫在360GPa以上形成，儘管在200K以下。

“我們聲稱我們不僅發現了兩個相，而且其中一個相是導電氫，”埃雷梅茨說，他認為VI相很可能是金屬的。

這個新相是否能被學界證實還有待觀察。但是，處理這種不確定性是一項艱鉅的任務，並且考慮到金剛石壓砧中的極端條件，很難驗證結果，格雷戈裡安茨表示。“要複製它非常困難——沒有多少小組可以將氫氣裝入DAC，”他說。“然後，你必須有一個質量非常好的光學設定。”

如果不是這樣，研究人員可能會損害實驗。“當達到400GPa時，你談論的是2微米的樣品尺寸，”格雷戈裡安茨解釋說。在如此小的樣品尺寸下，用於拉曼分析的入射雷射將不可避免地被金剛石部分吸收。根據格雷戈裡安茨的說法，如果不謹慎使用雷射，它將迅速加熱珍貴的壓砧，並且金剛石可能會在電池中破裂。

鑽石是永恆的

但一些小組可能正在冒險使用雷射來加熱氫本身，例如美國的艾薩克·西爾維拉和他在哈佛大學的同事。這使他們走上了一條與格雷戈裡安茨和埃雷梅茨的小組不同的通往金屬氫的道路。

“你可以[將氫]升到比如說[100— 200MPa] … 然後將其加熱到液相，”西爾維拉評論道。透過在室溫下對氫氣施加“適度”壓力，它將採用固體形式，此時西爾維拉和他的同事會提高溫度以產生液體。他接著解釋說，當這種液態分子相轉化為液態原子態時，應該像金屬一樣表現。

為了實現這一點，再次將氫氣在金剛石壓砧中加壓，但在設定上有一個關鍵的區別——金剛石尖端上塗有半透明的鎢膜。透過使用雷射脈衝加熱薄膜，該團隊能夠快速加熱氫氣，同時還使用光探測氫氣的反射率和透射率。他們估計氫氣可以加熱到2200K。

西爾維拉斷言，短暫的雷射脈衝不會破壞金剛石，平均而言，它們將保持在室溫下。“如果你加熱幾百納秒，就有足夠的時間達到熱平衡，”他說。“我們非常幸運——我們幾乎沒有損失金剛石。”

這使他們有機會在桑迪亞國家實驗室的Z機器探索的領域中工作，該機器是一種能夠產生2700萬安培的電脈衝發生器，其中氘受到極端的衝擊波和磁場的作用。

然而，使用一個普通的金剛石壓砧，西爾維拉的小組觀察到在這些高溫下，氫反射的光量急劇增加——這是絕緣體到金屬轉變的典型指標。但是，該團隊還不能明確地宣告他們已經發現了純原子金屬氫。

最後的領域

對於格雷戈裡安茨來說，這些進入未知的嘗試性步驟令人興奮，但他不確定這項探索最終會發現什麼。他解釋說，在如此高的壓力下，金屬氫可能僅以超流體的形式存在——一種奇異的、無摩擦的物質狀態。隨著壓力的增加，氫原子具有越來越多的能量，這可能會使穩定的固態永遠無法實現。

如果金屬氫是超流體，研究人員可能會得到一種難以理解的材料。“我們知道的所有超導體都是固體的……而所有超流體都是絕緣體，”格雷戈裡安茨評論道。“這種液態氫將同時是超導體和超流體——從未觀察到過這樣的東西。”

考慮到他們正在探索高壓科學的極限，學界不願排除固態金屬氫的可能性。但有一件事是肯定的，據格雷戈裡安茨說。“你必須非常非常小心你所說的和你說的方式，”他說。“很多人都在自欺欺人——這是令人難以置信的。”

本文經化學世界許可轉載。本文最初於2016年3月30日發表。