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85年前预言的金属氢,被创造出来了?

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发表于 2020-2-2 23:27:24 | 显示全部楼层 |阅读模式
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  是宇宙中最丰富的元素,气态的氢很简朴,而固态氢却非常复杂。早在 1935 年,理论物理学尤金·维格纳(Eugene Paul Wigner)就曾作出预测,在极端的高压(超过地球表面大气压的 400 万倍)下,固态氢应该可以表现出导体的性子,这意味着这种状态下的氢可以导电。
  自这一预测被提出以来,一场拉锯战式的征采竞赛便由此睁开了。长期以来,世界各地的科学家都在试图探求金属氢,虽然有时他们会得到一些似是而非却令人欣喜的结果,然而要在云云高的压强下通过实验来证实这个预测是极其困难的。
  在已往的几年里,许多科研团队都在压缩氢,以及在高压下探测氢的特性方面取得了长足的进展。最近,一项由法国原子能委员会的Paul Loubeyre领导的研究发现了迄今为止能证明金属氢存在的最有力证据,研究结果被发表在了近期的《天然》期刊上。
  这是一项里程碑式的发现,然而,这是否足以让整个相关范畴确信金属氢的存在呢?对此,无论是 Loubeyre 还是其他科学家均表示,研究还没有结束。
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  在新的研究中,Loubeyre 和他的团队使用了一种被称为“金刚石压砧”的装置,他们将氢样本置于两个金刚石尖端之间,再对氢进行压缩。金刚石压砧是这类研究通常会采用的常规方法。但 Loubeyre 等人使用的是一种相对较新的金刚石压砧,被称为环形金刚石压砧,其特殊的金刚石尖端设计可以使其蒙受更高的压强。

传统金刚石压砧艺术构想图图示。 图片泉源:劳伦斯利福摩尔国家实验室

  他们发现,当压强越来越大,致密的氢在可见光下会开始变得越来越不透明,即其反射率越来越高。当压力超过 300GPa(3000 亿帕斯卡)时,只有能量比可见光低的电磁辐射,如红外光,可以穿透固态氢。
  在 80K 的温度下,当压强增加到 425GPa 时,被压缩的氢样本的反射率急剧增加,可以阻隔所有的光。这意味着即便在红外线下它也开始变得不再透明。研究人员认为,固态氢的反射率在这种压强和温度条件下所呈现出的不连续的可逆变化,正是氢从固态转变成金属态的证据
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  研究一经发表,就得到了许多相关范畴研究人员的关注。大家普遍认为这一结果几乎是证明产生了金属氢的决定性证据,是一个里程碑式的发现,它将引领对氢的金属属性以及在更高的压强下所具有的属性睁开进一步探索。
  然而,公布一项发现并非像打开电灯的开关一般简朴,许多时候更像是在调节一个调光器。虽然目前这篇论文已经正式发表,但研究人员并没有断言他们已经观测到了金属氢。正如他们在论文标题中所夸大的那样,他们看到的是“大概过渡到金属氢”的证据。
  由于受到实验设备的敏捷度的限制,他们无法完全排除存在一个小的能带间隙的大概性,这是将材料转变成导体所需输入的少量能量。假如这样的能带间隙确实存在,那么就不能证明他们制造出了金属氢。虽然研究人员认为这样的能带间隙存在的大概性很小,但要真正确定制造出了金属氢,就必须彻底排除它存在的大概。
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  其实,若要确切地证明是否出现了金属氢,只需在高压下对氢样本的电导率进行测量。按照预期,固体氢应该表现出高水平的导电性能,且其导电性能会随着温度的升高而降低。然而,这是一项非常困难的测量,因为它需要将微型电极置于金刚石的尖端,只与少量的高压固态氢相接触。
  在一项相关研究中,由Mikhail Eremets领导的研究小组在另一篇论文中报道了他们在 350GPa 和 440GPa 的压强之间对固体氢进行电导率测量的结果。结果显示,在这个压强区间,氢仍旧以分子固体的形式存在,这意味着它的原子仍旧结合在一起,而不是以处于一张自由移动电子的网中的原子核存在。
  对此,Loubeyre 回应道,不同研究所采用的压强测量方法也略有不同,根据他们自己的计算,他们认为 Eremets 团队测得的 440GPa 实际上大概在 390 GPa 左右。目前,搜索仍在继续。
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  总的来说,新的研究结果是令人兴奋的。研究人员通过将创新的超高压产生技术与先辈的同步辐射实验方法相结合,找到了能证明氢在高压下开始表现得类似金属的证据,离彻底证明几十年前的预测又进步了一大步。与此同时,它还让我们意识到,在科学上做出一个结论性的结论,如“我们已经创造了金属氢”,是件多么困难的事,它需要多个科研团队制造出大量证据和验证才大概实现。
  目前,仍有许多问题有待解答。比方,可否通过金属跃迁来测量导电性?高温超导能在氢中实现吗?在超高压下,分子的秩序会被打乱,导致原子相变为固态吗?可以预见,为了解答这些问题,并进一步地展现和理解极度致密的氢所能拥有的属性,不同研究小组之间除了相互互助之外,也将继续睁开猛烈的竞争。

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