氫是宇宙中最豐富的元素，氣態(tài)的氫很簡單，而固態(tài)氫卻非常復雜。早在1935年，理論物理學家尤金·維格納（EugenePaulWigner）就曾作出預(yù)測，在極端的高壓（超過地球表面大氣壓的400萬倍）下，固態(tài)氫應(yīng)該可以表現(xiàn)出導體的性質(zhì)，這意味著這種狀態(tài)下的氫可以導電。
自這一預(yù)測被提出以來，一場拉鋸戰(zhàn)式的搜尋競賽便由此展開了。長期以來，世界各地的科學家都在試圖尋找金屬氫，雖然有時他們會得到一些似是而非卻令人欣喜的結(jié)果，然而要在如此高的壓強下通過實驗來證實這個預(yù)測是極其困難的。
在過去的幾年里，許多科研團隊都在壓縮氫，以及在高壓下探測氫的特性方面取得了長足的進展。最近，一項由法國原子能委員會的PaulLoubeyre領(lǐng)導的研究發(fā)現(xiàn)了迄今為止能證明金屬氫存在的最有力證據(jù)，研究結(jié)果被發(fā)表在了近期的《自然》期刊上。
這是一項里程碑式的發(fā)現(xiàn)，然而，這是否足以讓整個相關(guān)領(lǐng)域確信金屬氫的存在呢？對此，無論是Loubeyre還是其他科學家均表示，研究還沒有結(jié)束。
在新的研究中，Loubeyre和他的團隊使用了一種被稱為“金剛石壓砧”的裝置，他們將氫樣本置于兩個金剛石尖端之間，再對氫進行壓縮。金剛石壓砧是這類研究通常會采用的常規(guī)方法。但Loubeyre等人使用的是一種相對較新的金剛石壓砧，被稱為環(huán)形金剛石壓砧，其特殊的金剛石尖端設(shè)計可以使其承受更高的壓強。
傳統(tǒng)金剛石壓砧藝術(shù)構(gòu)想圖圖示。圖片來源：勞倫斯利福摩爾國家實驗室
他們發(fā)現(xiàn)，當壓強越來越大，致密的氫在可見光下會開始變得越來越不透明，即其反射率越來越高。當壓力超過300GPa（3000億帕斯卡）時，只有能量比可見光低的電磁輻射，如紅外光，可以穿透固態(tài)氫。
在80K的溫度下，當壓強增加到425GPa時，被壓縮的氫樣本的反射率急劇增加，可以阻隔所有的光。這意味著即便在紅外線下它也開始變得不再透明。研究人員認為，固態(tài)氫的反射率在這種壓強和溫度條件下所呈現(xiàn)出的不連續(xù)的可逆變化，正是氫從固態(tài)轉(zhuǎn)變成金屬態(tài)的證據(jù)。
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研究一經(jīng)發(fā)表，就得到了許多相關(guān)領(lǐng)域研究人員的關(guān)注。大家普遍認為這一結(jié)果幾乎是證明產(chǎn)生了金屬氫的決定性證據(jù)，是一個里程碑式的發(fā)現(xiàn)，它將引領(lǐng)對氫的金屬屬性以及在更高的壓強下所具有的屬性展開進一步探索。
然而，宣布一項發(fā)現(xiàn)并非像打開電燈的開關(guān)一般簡單，很多時候更像是在調(diào)節(jié)一個調(diào)光器。雖然目前這篇論文已經(jīng)正式發(fā)表，但研究人員并沒有斷言他們已經(jīng)觀測到了金屬氫。正如他們在論文標題中所強調(diào)的那樣，他們看到的是“可能過渡到金屬氫”的證據(jù)。
由于受到實驗設(shè)備的靈敏度的限制，他們無法完全排除存在一個小的能帶間隙的可能性，這是將材料轉(zhuǎn)變成導體所需輸入的少量能量。如果這樣的能帶間隙確實存在，那么就不能證明他們制造出了金屬氫。雖然研究人員認為這樣的能帶間隙存在的可能性很小，但要真正確定制造出了金屬氫，就必須徹底排除它存在的可能。
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其實，若要確切地證明是否出現(xiàn)了金屬氫，只需在高壓下對氫樣本的電導率進行測量。按照預(yù)期，固體氫應(yīng)該表現(xiàn)出高水平的導電性能，且其導電性能會隨著溫度的升高而降低。然而，這是一項非常困難的測量，因為它需要將微型電極置于金剛石的尖端，只與少量的高壓固態(tài)氫相接觸。
在一項相關(guān)研究中，由MikhailEremets領(lǐng)導的研究小組在另一篇論文中報道了他們在350GPa和440GPa的壓強之間對固體氫進行電導率測量的結(jié)果。結(jié)果顯示，在這個壓強區(qū)間，氫仍然以分子固體的形式存在，這意味著它的原子仍然結(jié)合在一起，而不是以處于一張自由移動電子的網(wǎng)中的原子核存在。
對此，Loubeyre回應(yīng)道，不同研究所采用的壓強測量方法也略有不同，根據(jù)他們自己的計算，他們認為Eremets團隊測得的440GPa實際上可能在390GPa左右。目前，搜索仍在繼續(xù)。
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總的來說，新的研究結(jié)果是令人興奮的。研究人員通過將創(chuàng)新的超高壓產(chǎn)生技術(shù)與先進的同步輻射實驗方法相結(jié)合，找到了能證明氫在高壓下開始表現(xiàn)得類似金屬的證據(jù)，離徹底證明幾十年前的預(yù)測又前進了一大步。與此同時，它還讓我們意識到，在科學上做出一個結(jié)論性的結(jié)論，如“我們已經(jīng)創(chuàng)造了金屬氫”，是件多么困難的事，它需要多個科研團隊制造出大量證據(jù)和驗證才可能實現(xiàn)。
目前，仍有許多問題有待解答。例如，能否通過金屬躍遷來測量導電性？高溫超導能在氫中實現(xiàn)嗎？在超高壓下，分子的秩序會被打亂，導致原子相變?yōu)楣虘B(tài)嗎？可以預(yù)見，為了解答這些問題，并進一步地揭示和理解極度致密的氫所能擁有的屬性，不同研究小組之間除了相互合作之外，也將繼續(xù)展開激烈的競爭。
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