法国科学家发现“金属氢”

氢是宇宙中最丰富的元素。气态的氢简单，是常见的工业原料;液态的氢低温复杂，甚至可以用作空间燃料;至于固态氢一直以来仅存在于科学界的预测中，被誉为高压物理的圣杯。

日前，法国科学家Paul Loubeyre等人在《自然》杂志上撰文指出——致密氢在极端压力和低温下显示出光学反射率的不连续且可逆的变化，这可归因于氢相变为金属态。这是迄今为止能证明金属氢存在的最有力证据。尽管Loubeyre以及同行们均表示，研究还没有结束，但丝毫不影响这一里程碑式发现的重要意义。

85年前，美籍匈牙利理论物理学家尤金·维格纳曾预言，在极端高压(超过地球表面大气压的400万倍)条件下，固态氢应该可以导电，即表现出金属性质。自此，越来越多的科学家加入这场围猎“金属氢”的竞赛。虽然偶尔会得到一些似是而非却令人充满希望的成果，然而要在如此高的压强下通过实验来证实这个预测极其困难。2017年初，哈佛大学的物理学家曾宣布成功制备金属氢，但随后表示在进一步的实验中，金刚石压砧破裂导致样本失压变回气态逃逸。

业界通常的做法是使用被称为金刚石压砧的设备来实现材料的超高压缩，并研究高密度下材料物理特性的变化。通过金刚石砧盒挤压样品，样品被限制在两个金刚石砧之间的薄金属箔中的微小腔室中(图a)。该设备原理简单：压力与施加力的表面面积成反比。但也不可避免地存在一个固有缺陷：达到极高的压力意味着要处理很小的样品量。

Loubeyre领导的研究小组使用了环形金刚石压砧装置——他们将氢样本置于两个金刚石尖端之间，再对氢进行压缩。特殊的金刚石尖端设计可以使其承受的压强高达400GPa(大约是地球大气压力的400万倍, 比地球中心的压力还要大)，同时这一装置还助于限制适合光学测量的致密氢样品。创新的超高压产生技术与先进的同步辐射实验方法相结合，Loubeyre找到了能证明氢在高压下开始表现得类似金属的证据——在零下190°C下，氢的行为与金属相同：反射光。

在越来越高的极端压力下，致密氢对可见光变得越来越不透明。对于超过约300 GPa的压力，固体氢仅通过低于能量的电磁辐射可穿透变为可见光，如红外辐射(图b)。当压力升高到425 GPa以上时，压缩的氢气样品会阻挡所有光线并显示出光反射率的突然增加(图c)。此外，他们发现这种转变是可逆的。但是很难通过光谱确认这一点，因为在这些极端条件下光与物质之间的耦合降低了。

尽管如此，Loubeyre和他的同事们的发现依旧被认为是致密氢在极端压力条件下达到金属态的近乎确定的证据。这一发现的前景重大，尤其对于行星的形成的研究，据推论，木星等气态巨行星的核心含有金属氢。此前，有理论物理学家预测，金属氢能够帮超导材料甩掉低温的包袱，使其在更广泛的环境中得到应用，比如用金属氢输电，可以取消大型的变电站而输电效率在99%以上，大大提高了全世界电量的利用率，降低了输送成本;如果用金属氢制造发电机，其重量不到普通发电机重量的10%，而输出功率可以提高几十倍乃至上百倍。不仅如此，金属氢更是一种绿色高能燃料，是目前已知的含能密度最高的常规燃料，其能量储存在化学键中，无需氧气助燃即可释放大量能量。如果能够组成燃料电池应用于现代交通工具，城市将变得十分清洁。

目前，仍有许多问题待解。例如，能否通过金属跃迁来测量导电性?高温超导能在氢中实现吗?Loubeyre指出，在固态状态下，与预期相反，“氢非常复杂”。我们用来描述材料的粗略理论并不完全适用于氢。