超高真空的反面！法國科學(xué)家已經(jīng)造出金屬氫

長(cháng)期以來(lái)，科學(xué)家們一直認為，在木星的內核，材料物理的規律有著(zhù)顯著(zhù)特征。在那種極端壓力的環(huán)境下，就連氫氣都能被擠壓成為金屬。由于金屬氫具有廣闊的應用前景，多年以來(lái)，科學(xué)家們一直在尋找合成金屬氫的方法。

從這張木星內部的剖面圖可以看到它的石質(zhì)地核覆蓋了一層厚厚的液態(tài)金屬氫。圖：Kelvinsong/Wikimedia Commons

目前來(lái)說(shuō)，已知的唯一方法就是用金剛石對頂砧壓縮氫原子。經(jīng)過(guò)數十年的努力(自首次理論提出已經(jīng)有80年歷史了)，一個(gè)來(lái)自法國的科學(xué)家團隊終于在實(shí)驗室環(huán)境下造出了金屬氫。盡管存在很多懷疑的聲音，但科學(xué)界還是有很多人認可這一成果。

近日，arXiv發(fā)表了該團隊的預印本論文“Observation of a first order phase transition to metal hydrogen near 425 GPa”。該團隊由來(lái)自法國原子能和替代能源委員會(huì )和同步加速器SOLEIL等機構的Paul Dumas、Paul Loubeyre和Florent Occelli組成。

在論文中，他們指出，在量子限域的法則下，“金屬氫應該存在”是無(wú)可爭辯的事實(shí)。亦即如果任何材料的電子受到足夠的限制，那么最終就會(huì )發(fā)生所謂的“帶隙閉合”。簡(jiǎn)而言之，任何絕緣材料在足夠大的壓力下，都應該能成為導電金屬。

他們還說(shuō)明了使其實(shí)驗成為可能的兩項進(jìn)展。

本次實(shí)驗使用的金剛石對頂砧的掃描電子纖維照片。圖：Paul Dumas等

第一項是他們使用的金剛石對頂砧裝備，其金剛石頂端是環(huán)形(圓環(huán)形)，而不是扁平的。這使得該團隊能夠突破其他金剛石對頂砧(400GPa)的壓力限制，并達到600GPa。

同步加速器SOLEIL的鳥(niǎo)瞰圖。圖：C.Kermarrec/Synchrotron SOLEIL

第二項是他們在SOLEIL設計的一種能夠測量樣品的新型紅外光譜儀。一旦測量到樣品達到425GPa的壓力和80K(-193℃)的溫度，就會(huì )向研究人員匯報樣品開(kāi)始吸收所有的紅外輻射，從而表明樣品已經(jīng)將“間隙閉合”了。

自然地，該研究引起了一些批評和質(zhì)疑。主要是因為，以前關(guān)于金屬氫合成的想法要么被證明失敗，要么就毫無(wú)結果。此外，這項研究還沒(méi)有接受同行評議，別的物理學(xué)家也尚未進(jìn)行實(shí)驗驗證。

不過(guò)，這項成果還是有不少支持者的。其中一個(gè)是來(lái)自美國阿貢國家實(shí)驗室的副教授Maddury Somayazulu。在一次采訪(fǎng)中，他表示：“我認為這確實(shí)是一個(gè)諾獎級的發(fā)現。這可能是關(guān)于純氫研究的最清潔、最全面的工作之一。”Somayazulu還表示，他非常了解該研究的主要作者Paul Dumas，他認為后者是一位“非常嚴謹、做事條理的科學(xué)家”。

上圖為2017年哈佛大學(xué)制造金屬氫實(shí)驗的顯微圖像。圖：Isaac Silvera

下圖為本次法國科學(xué)家實(shí)驗的顯微圖像，中間那張圖顯示了金屬氫的形成。圖：Paul Dumas等

另一個(gè)對這項研究高度肯定的科學(xué)家，是來(lái)自卡內基研究院地球物理實(shí)驗室的Alexander Goncharov。2017年1月時(shí)，哈佛大學(xué)萊曼物理實(shí)驗室的研究團隊宣稱(chēng)使用類(lèi)似方法獲得金屬氫時(shí)，他就表示過(guò)懷疑。(哈佛大學(xué)這項成果當時(shí)也引起一些爭議，但沒(méi)過(guò)幾天，由于操作失誤，他們的金屬氫樣本就消失了。)不過(guò)對于這個(gè)法國團隊的最新研究，他則表示：“我認為這篇論文包含了氫的間隙閉合的有力證據。盡管其中的某些解釋是錯誤的，還有些數據可以做得更好，但總體上，我是相信這項成果的。”

作為合成材料，金屬氫的應用是極其廣泛的，尤其是它在室溫下具有超導特性，并且是亞穩態(tài)的(意味著(zhù)一旦恢復為常壓，它也能保持其固體性)。這種屬性在電子產(chǎn)品中非常有用。

這對于從事高能物理學(xué)研究的科學(xué)家來(lái)說(shuō)也是一個(gè)好消息，就像目前正在歐洲核子研究中心進(jìn)行的研究那樣。最重要的是，這項研究將使得天體物理學(xué)家無(wú)需發(fā)送探測器，直接在地球上研究巨行星內部的條件成為可能。

因此，金屬氫的潛力就像冷聚變。鑒于此，任何聲稱(chēng)已經(jīng)成功造出金屬氫的人，自然會(huì )面對很多棘手的問(wèn)題。我們所能做的就是希望最新的實(shí)驗能夠成功，然后為之慶祝，或是等待科學(xué)家的下一次嘗試。