然而,维格纳和亨廷顿显然大大低估了形成金属氢所需的压力,时至今日,人类还未实现静态高压下金属氢的相变,后来的研究认为金属氢相变的压力至少要达到500 GPa。

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,甚至可能是由未知的新物理机制操控的一种新颖的凝聚态。同时,金属氢也被认为是氢在木星、土星等大行星中的一种重要的存在形式。

“氢的金属化问题一直以来是高压科学的焦点和热点,三十年来甚至有不下四次轰动的新闻报道称有人成功合成了金属氢。但其根据都是样品变黑、不透明、反光、导电等单项间接表征,而且都是孤例,没有重复验证。即使真是金属,缺乏可靠的性质测定,也只是个记录,少有物理意义。我们将不单致力于在实验室条件下‘创造’出金属氢,更重要的是对其进行可靠的表征,以发现和理解金属氢的新奇的物理形态和特性,为拓宽对物理理论的认识提供可靠的实验参照。”毛河光告诉记者。

因此,有人将金属氢称为“高压物理的圣杯”。近一个世纪以来,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的条件,并在这一过程中发现了许多种氢的高压新相。

乐在其中的吉诚把研究的过程看成了是在“打怪升级”。

吉诚说:“在80%的实验都会失败的情况下,唯有坚持不懈,相信只要方法正确,总会成功。我们是抱着这样的决心才最终在这个项目上取得了成功。”

李冰告诉记者,金刚石对顶砧压机用两颗顶对顶放置的金刚石相互施压,可以产生约400 GPa极限静态压力,这是达到如此高的静态压力的唯一手段。

毛河光告诉《中国科学报》,之前在X射线下“隐形”的高压氢结构得以测量,从而使他们成功解出了氢第四相的晶体结构。令人惊讶的是,氢分子仍以类似雪花一样的六方对称排列。经历了两次等结构相变后,六方的氢分子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。

如果说金属氢是圣杯,高压下氢结构的同步测量就好比圣杯的杯座。

吉诚告诉记者,最近发展的基于同步X射线辐射的微纳聚焦探针是解决这一困难的有效手段。

氢是宇宙中含量最丰富的元素。在常压下,两个氢原子结合形成氢分子。1935年,诺贝尔物理奖得主尤金.维格纳和物理学家希拉德.亨廷顿预测,氢在25 GPa的高压下会变为金属氢。

“我们总说要站在巨人的肩膀上,项目一开始的时候我们还是有一些参照的,但是这个时候已经没有人能告诉我们应该做什么。”吉诚说道,“我们从原理去思考、去探索如何去解决一个一个的技术问题。往往解决了一个,就衍生了下一个问题。然后继续解决,直到打通所有关卡。”

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

“高压物理圣杯” 的杯座

向金属氢冲刺的重要一步

因此,曾有国外科学家断言,此类实验是不可能实现的。

文章第一作者、北京高压科学研究中心研究员吉诚告诉《中国科学报》记者,目前金属氢的研制已经进入白热化阶段,这几年不断有研究小组声称合成了金属氢,但是在业内难以得到共识。很大一个原因是因为在极端条件下由于物理限制,往往测量手段匮乏,测量结果的准确性也不尽如人意。而且众多学者对通过深入研究金属氢以及氢金属化过程,以探索其所蕴含的新的物理机制的重要性,目前也没有足够的认识。

在头发丝上“打怪升级”

毛河光告诉记者,在金刚石对顶砧上进行氢结构的同步单晶X射线衍射测量要面对几个艰难的挑战。

 向金属氢冲刺,他们做了这件事

最终,毛河光带领研究小组通过运用高辉度亚微米聚焦X射线束(300纳米)以及多通道准直器技术,在使用复合封垫的样品中成功采集了从20 GPa至250 GPa的氢的X射线衍射数据,涵盖了氢的第一、三及第四相。