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诺奖得主一句话，科学马拉松跑了近一百年！

2020.2.07

　　氢是自然界已知最轻的元素，也是宇宙中最丰富的元素。一谈到氢，我们就想到氢气，可是，氢并不是只有气态，还有固态。

　　气态氢的存在形式较为简单，固态氢则复杂得多。早在1935年，尤金·保罗·维格纳（1963年诺贝尔物理学奖得主）就作出了预测——固态氢在超高压下可作为电子导体，因为其分子形式转变为原子组分[1]。自此，一场从实验上证明“超高压下的固态氢表现出金属行为”的科学马拉松就此展开，且直至今日尚未结束。

　　最近，法国科学家Loubeyre等人在Nature撰文，报道了固态氢的光学反射率在极高压和低温下产生非连续且可逆变化的现象（图1）。作者认为，该变化可能是因为固态氢产生了相变——变为金属态。

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图1. 金刚石压砧装置示意图。给低温固态氢施加不同压强时，其光学反射性会产生变化：~1GPa时，红外光、可见光均可透过；~300 GPa时，红外光可透过，可见光不可透；>425 GPa时，红外光、可见光均被反射（表明样品可能转变为金属态）。

　　聚焦离子束工艺改进金刚石压砧装置

　　常用的超高压装置为金刚石压砧装置——材料置于金属箔微腔，上下为金刚石压砧（如图1a所示）。当施加一定压力时，压强与受力面积成反比。因此，要想实现极高压强，样品的体积需要足够小。基于此目标，在过去数十年间，研究人员对压力工具和方法进行了持续优化，在实现极高压强的产生、微观样品压强的准确测量等方面取得了系列进展。然而，针对压强测量的准确度以及测试结果的解读，相关争议一直持续着。

　　鉴于以上问题，Loubeyre团队通过引入聚焦离子束加工技术，实现了对金刚石压砧表面的精确雕刻。所设计的金刚石压砧能产生400 GPa以上的极高压强，提供可靠的压强测量值；且有助于对固态氢样品的限域，从而利于光学测试。

　　固态氢光学性质随压强的变化

　　随着压强的增加，固态氢的透光性会下降。当压强高于300 GPa时，只有能量低于可见光的电磁辐射才能透过，例如红外光（图1b）。进一步地，在前人未实现的更高压强下，Loubeyre团队采用同步辐射近红外光对固态氢的透光性进行了测试。结果表明，当压强高于425GPa时，所有光都不能透过固态氢；相应地，固态氢的光学反射率出现了陡增现象（图1c）。作者认为，光学反射率突变说明超高压诱导了固态氢的相变，使电子能在其中自由移动——一种类似于金属的行为。

　　展望

　　值得肯定的是，Loubeyre团队的研究很大程度上印证了“超高压下的固态氢表现出金属行为”这一预测，在实验验证方面迈出了一大步。

　　即便如此，渥太华大学Serge Desgreniers指出，最直接且毫无争议的实验证据应为超高压下固态氢的电导-温度关系曲线。遗憾的是，高压下氢的电输运测量在目前仍然是一个巨大的挑战。此外，在理论计算方面，目前针对“分子态氢-金属态氢”这一转变过程的模拟计算缺乏可信度，因为其需要大量棘手的量子力学修正。

　　展望未来，Loubeyre团队的研究为发掘超高压下固态氢的独特性质提供了平台。事实上，基于该体系的大量研究尚未实现。例如，能否在固态氢的金属态转变过程中实现对其电阻率的测量？氢能否打破目前的超导温度记录？超高压能否将分子态固态氢转变为原子态？

　　可以明确的是，围绕以上问题的研究工作正如火如荼地进行着，竞争也依旧激烈。这场马拉松尚未结束，但新的阶段已经开启。

　　参考文献：

　　1. Wigner, E. & Huntington, H. B. J. Chem. Phys. 3, 764–770 (1935).

　　2. Serge Desgreniers. Nature 577, 626-627 (2020).

　　3. Loubeyre, P., Occelli, F. & Dumas, P. Nature 577, 631–635 (2020).

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