80多年前，有人預測氫在高壓下會演變出一種“神奇”的物態——金屬氫。自得到理論預測以來，人工制造出金屬氫是高壓物理學界首屈一指的核心挑戰，對金屬氫的追求推動著高壓科學的技術發展。

近日，由北京高壓科學研究中心(HPSTAR)主任毛河光領導的科研小組，與國外科學家合作，采用金剛石對頂砧(DAC)技術以及自主研發的同步輻射X射線衍射相關技術，首次在220萬個大氣壓以上實現了對固態氫第四相的晶體結構精確測量。

毛河光告訴《中國科學報》，此項工作破解了長期困擾高壓氫研究中的最基本、最亟須解決的技術難題，將此前法國和美國科學家合作保持的壓力紀錄提高了一倍，為今后直接測量超高壓下固態氫以至金屬氫的晶體結構提供了一個切實可行的技術手段。相關成果發表于《自然》。

“高壓物理圣杯”的杯座

氫是宇宙中含量最豐富的元素。在常壓下，兩個氫原子結合形成氫分子。科學家預測，氫在25 GPa的高壓下會變為金屬氫。

毛河光表示，這種材料具有超高的能量密度，理論預測是室溫超導體和超流體，甚至可能是由未知的新物理機制操控的一種新穎的凝聚態。同時，金屬氫也被認為是氫在木星、土星等大行星中的一種重要的存在形式。

因此，有人將金屬氫稱為“高壓物理的圣杯”。近一個世紀以來，高壓學者通過不懈努力，已經使高壓技術所能達到的壓力接近預想中的條件，并在這一過程中發現了許多種氫的高壓新相。

然而，時至今日，人類還未實現靜態高壓下金屬氫的相變，后來的研究認為金屬氫相變的壓力至少要達到500 GPa。

500 GPa是什么概念?文章第二作者、北京高壓科學研究中心研究員李冰告訴《中國科學報》，地心的壓力約為360 GPa。

這么高的壓力要如何才能得到?

李冰表示，金剛石對頂砧壓機用兩顆頂對頂放置的金剛石相互施壓，可以產生約400 GPa極限靜態壓力，這是達到如此高的靜態壓力的唯一手段。

文章第一作者、北京高壓科學研究中心研究員吉誠告訴《中國科學報》，目前金屬氫的研制已經進入白熱化階段，這幾年不斷有研究小組聲稱合成了金屬氫，但是在業內難以得到共識。很大一個原因是在極端條件下由于物理限制，往往測量手段匱乏，測量結果的準確性也不盡如人意。

如果說金屬氫是圣杯，高壓下氫結構的同步測量就好比圣杯的杯座。最近發展的基于同步X射線輻射的微納聚焦探針是解決這一困難的有效手段。

在頭發絲上“打怪升級”

毛河光提到，在金剛石對頂砧上進行氫結構的同步單晶X射線衍射測量要面對幾個艱難的挑戰。

首先，氫會滲入鉆石表面導致“氫碎”，在用傳統的方法進行實驗時，研究人員發現，最多到160GPa，鉆石砧就會破碎。

“我們的論文報道了22組實驗的數據，但實際上我們做了100多組實驗，耗費了幾百顆鉆石。”吉誠說。

而且，由于氫的X射線散射截面是所有元素中最小的，因此衍射信號很弱，而采用金屬錸、鎢等做成的傳統封墊會形成強烈的干擾，即使運用最新一代同步輻射光源，利用X射線衍射法測量固態氫在百萬大氣壓以上的晶體結構也面臨巨大的挑戰。

因此，曾有國外科學家斷言，此類實驗是不可能實現的。

為此，研究人員開發了一種用氧化鎂或立方氮化硼和環氧樹脂制成的復合材料封墊。由于氧化鎂或立方氮化硼是X射線衍射強度弱的材料，而環氧樹脂是非晶體，這種封墊產生的衍射信號極弱，用其將氫樣品封裝可以一舉兩得，既解決“氫碎”的問題，又解決了金屬封墊的信號干擾，使捕捉來自氫的微弱X射線衍射信號成為可能。

雖然封墊信號干擾和極限壓力的問題解決了，如何才能測出在超高壓下破碎成粉末的氫的X射線衍射呢?樣品的尺寸太小了，只有5微米的直徑和1微米的厚度。相比之下，一根頭發絲都有40微米直徑。

樂在其中的吉誠把研究過程看成了“打怪升級”。

最終，毛河光帶領研究小組通過運用高輝度亞微米聚焦X射線束(300納米)以及多通道準直器技術，在使用復合封墊的樣品中成功采集了從20 GPa至250 GPa的氫的X射線衍射數據，涵蓋了氫的第一、三及第四相。

離金屬氫又近了一步

毛河光告訴《中國科學報》，之前在X射線下“隱形”的高壓氫結構得以測量，從而使他們成功解出了氫第四相的晶體結構。令人驚訝的是，氫分子仍以類似雪花一樣的六方對稱排列。經歷了兩次等結構相變后，六方的氫分子晶體在高壓下逐漸被壓扁，從而導致電子結構的轉變形成第四相。

“第四相是連接正常固體氫與奇特金屬氫的一個關鍵物相，因而我們必須要理解它的晶體結構。”吉誠說。

毛河光說，此研究暗示等結構電子相變有可能是固態氫眾多相變的一種通用形式，為理解氫在高壓下的相變途徑提供了一種新的思路。

“氫的金屬化問題一直以來是高壓科學的焦點和熱點，但其根據都是樣品變黑、不透明、反光、導電等單項間接表征，而且都是孤例，沒有重復驗證。我們將不單致力于在實驗室條件下‘創造’出金屬氫，更重要的是對其進行可靠的表征，以發現和理解金屬氫的新奇的物理形態和特性，為拓寬對物理理論的認識提供可靠的實驗參照。”毛河光說，“此項工作是向從晶體結構上理解金屬氫邁出的堅實的一大步。”

相關論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-019-1565-9