2019-09-26
来源：知社学术圈
氢是宇宙中含量最丰富的元素。在压力作用下，氢气会首先固化结晶，然后演变出一系列的高密度固体相（同一物质的不同相是由于原子尺度上排布方式不同而造成的，例如柔软的石墨和坚硬的金刚石为碳的两个物性迥然不同的相）。
理论预测高压氢最终会演变为一种“神奇材料”。这种材料具有最高的能量密度，是室温超导体（导电时无电阻），是超流体能从低处向高处流动，甚至可能是由未知的新物理机制操控的一种新颖的凝聚态。
为了追求这种“神奇材料”，从上个世纪末至今，高压学者通过不懈努力，已经使高压技术所能达到的压力接近预想中这种材料的存在条件，并在这一过程中发现了许多种氢的高压新相。然而，测量氢在极端条件下的晶体结构仍是极度困难的，这导致氢的新高压相的结构无法确定。
近日，由北京高压科学研究中心的毛河光院士领导的研究小组，成功探测了在极端高压条件下的氢分子在原子尺度上的排布方式（此排布方式称作晶体结构）。该工作解决了长久以来对氢的高压第四相晶体结构的困惑。这项工作于9月26日发表在国际顶级科学杂志《自然》上。
利用先进光子源（美国阿贡国家实验室）以及上海光源等同步辐射光子源（大型科学装置）所产生的高辉度X射线束，毛河光院士带领的团队克服了一系列技术挑战，使得之前在X射线下‘隐形’的高压氢的结构得以测量，从而成功解出了氢第四相的晶体结构。令人惊讶的是，氢分子仍以六方对称排列（六方对称是类似雪花一样的六边形排列）。六方的氢晶体在高压下逐渐被压扁，从而导致电子结构的转变形成第四相。
图解： 图中两颗对顶的金刚石被称作金刚石对顶砧，用来产生高达数百万大气压的压力。高亮度的同步辐射X射线穿透金刚石照射在高压氢上，高压氢与X射线相互作用产生的信息显示了氢在原子尺度的排列方式，亦即晶体结构。“第四相是连接正常固体氢与奇特金属氢的一个关键物相，因而我们必须要理解它的晶体结构。”，本工作的第一作者吉诚研究员表示，“这项工作非常具有挑战，我们投入了五年的时间逐个攻破技术瓶颈，对于最终能够准确测量第四相的晶体结构，我个人感到非常兴奋。”。
“极端条件下对氢的研究是物理学界的主要焦点之一，同时也是一个巨大的挑战。”毛河光院士补充道，“北京高压科学中心延揽了高压氢问题上的专家，我们的目标不单是发现新的氢的存在形式，更重要的是进行可靠的表征从而理解这些高压相所蕴含的新物理。此项工作就是这种精确表征的一例，为理解氢金属化的过程提供了新的手段。”
上一篇：喝可乐都会醉，这是什么道理？
