氫是自然界已知最輕的元素，也是宇宙中最豐富的元素。一談到氫，我們就想到氫氣，可是，氫并不是只有氣態(tài)，還有固態(tài)。
氣態(tài)氫的存在形式較為簡單，固態(tài)氫則復(fù)雜得多。早在1935年，尤金·保羅·維格納（1963年諾貝爾物理學(xué)獎得主）就作出了預(yù)測——固態(tài)氫在超高壓下可作為電子導(dǎo)體，因為其分子形式轉(zhuǎn)變?yōu)樵咏M分[1]。自此，一場從實驗上證明“超高壓下的固態(tài)氫表現(xiàn)出金屬行為”的科學(xué)馬拉松就此展開，且直至今日尚未結(jié)束。
最近，法國科學(xué)家Loubeyre等人在Nature撰文，報道了固態(tài)氫的光學(xué)反射率在極高壓和低溫下產(chǎn)生非連續(xù)且可逆變化的現(xiàn)象（圖1）。作者認(rèn)為，該變化可能是因為固態(tài)氫產(chǎn)生了相變——變?yōu)榻饘賾B(tài)。
圖1. 金剛石壓砧裝置示意圖。給低溫固態(tài)氫施加不同壓強時，其光學(xué)反射性會產(chǎn)生變化：~1GPa時，紅外光、可見光均可透過；~300 GPa時，紅外光可透過，可見光不可透；>425 GPa時，紅外光、可見光均被反射（表明樣品可能轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘賾B(tài)）。
聚焦離子束工藝改進(jìn)金剛石壓砧裝置
常用的超高壓裝置為金剛石壓砧裝置——材料置于金屬箔微腔，上下為金剛石壓砧（如圖1a所示）。當(dāng)施加一定壓力時，壓強與受力面積成反比。因此，要想實現(xiàn)極高壓強，樣品的體積需要足夠小?；诖四繕?biāo)，在過去數(shù)十年間，研究人員對壓力工具和方法進(jìn)行了持續(xù)優(yōu)化，在實現(xiàn)極高壓強的產(chǎn)生、微觀樣品壓強的準(zhǔn)確測量等方面取得了系列進(jìn)展。然而，針對壓強測量的準(zhǔn)確度以及測試結(jié)果的解讀，相關(guān)爭議一直持續(xù)著。
鑒于以上問題，Loubeyre團隊通過引入聚焦離子束加工技術(shù)，實現(xiàn)了對金剛石壓砧表面的精確雕刻。所設(shè)計的金剛石壓砧能產(chǎn)生400 GPa以上的極高壓強，提供可靠的壓強測量值；且有助于對固態(tài)氫樣品的限域，從而利于光學(xué)測試。
固態(tài)氫光學(xué)性質(zhì)隨壓強的變化
隨著壓強的增加，固態(tài)氫的透光性會下降。當(dāng)壓強高于300 GPa時，只有能量低于可見光的電磁輻射才能透過，例如紅外光（圖1b）。進(jìn)一步地，在前人未實現(xiàn)的更高壓強下，Loubeyre團隊采用同步輻射近紅外光對固態(tài)氫的透光性進(jìn)行了測試。結(jié)果表明，當(dāng)壓強高于425GPa時，所有光都不能透過固態(tài)氫；相應(yīng)地，固態(tài)氫的光學(xué)反射率出現(xiàn)了陡增現(xiàn)象（圖1c）。作者認(rèn)為，光學(xué)反射率突變說明超高壓誘導(dǎo)了固態(tài)氫的相變，使電子能在其中自由移動——一種類似于金屬的行為。
展望
值得肯定的是，Loubeyre團隊的研究很大程度上印證了“超高壓下的固態(tài)氫表現(xiàn)出金屬行為”這一預(yù)測，在實驗驗證方面邁出了一大步。
即便如此，渥太華大學(xué)Serge Desgreniers指出，最直接且毫無爭議的實驗證據(jù)應(yīng)為超高壓下固態(tài)氫的電導(dǎo)-溫度關(guān)系曲線。遺憾的是，高壓下氫的電輸運測量在目前仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。此外，在理論計算方面，目前針對“分子態(tài)氫-金屬態(tài)氫”這一轉(zhuǎn)變過程的模擬計算缺乏可信度，因為其需要大量棘手的量子力學(xué)修正。
展望未來，Loubeyre團隊的研究為發(fā)掘超高壓下固態(tài)氫的獨特性質(zhì)提供了平臺。事實上，基于該體系的大量研究尚未實現(xiàn)。例如，能否在固態(tài)氫的金屬態(tài)轉(zhuǎn)變過程中實現(xiàn)對其電阻率的測量？氫能否打破目前的超導(dǎo)溫度記錄？超高壓能否將分子態(tài)固態(tài)氫轉(zhuǎn)變?yōu)樵討B(tài)？
可以明確的是，圍繞以上問題的研究工作正如火如荼地進(jìn)行著，競爭也依舊激烈。這場馬拉松尚未結(jié)束，但新的階段已經(jīng)開啟。
參考文獻(xiàn)：
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).
