在不同壓縮階段采集的樣品。中心是金屬氫，但紅色可能是由于鉆石中的分子變化而不是氫。圖片：Loubeyre等(arXiv 2019)
物理學(xué)家尤金·保羅·維格納(Eugene Paul Wigner)在80多年前預(yù)測(cè)，氫氣是宇宙中最豐富的元素，可以在適當(dāng)?shù)臏囟群蛪毫ο伦兂蓪?dǎo)電的固體金屬。自從開(kāi)始嘗試合成這種材料以來(lái)，科學(xué)家已經(jīng)花費(fèi)了數(shù)十年的時(shí)間，而現(xiàn)在可能已經(jīng)發(fā)現(xiàn)它了!
法國(guó)的一個(gè)研究小組在一個(gè)收集物理學(xué)、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、生物學(xué)與數(shù)理經(jīng)濟(jì)學(xué)的論文預(yù)印本的網(wǎng)站arXiv上發(fā)表了一篇論文，描述了他們?cè)诒鹊厍騼?nèi)核更大的壓力下對(duì)金屬氫的觀察。也有其他研究人員聲稱發(fā)現(xiàn)了這個(gè)物質(zhì)形態(tài)，但通常都遇到了不同程度的懷疑。但是一些專家認(rèn)為這個(gè)最新的聲明可能是真的。
金屬氫正是它聽(tīng)起來(lái)的樣子—具有金屬特性的元素氫狀態(tài)。根據(jù)這篇新論文，這種物質(zhì)“毫無(wú)疑問(wèn)地”存在，這要?dú)w功于量子限制：限制電子的運(yùn)動(dòng)，并且由于量子力學(xué)的規(guī)則，物質(zhì)的電子和光學(xué)性質(zhì)也會(huì)發(fā)生變化。據(jù)報(bào)道，在足夠高的壓力下，任何絕緣體都能成為導(dǎo)電金屬;例如，氧氣在100 GPa下變成金屬，這一壓力大約是海平面地球空氣壓力的一百萬(wàn)倍。
由于一些原因，金屬氫的發(fā)現(xiàn)將是令人興奮的。當(dāng)然，實(shí)驗(yàn)可以證明這種材料的存在。它能在沒(méi)有升溫的情況下傳輸電力，這意味著它將是超導(dǎo)體，甚至可能是室溫超導(dǎo)體。這是物理學(xué)家另一個(gè)長(zhǎng)期追求的目標(biāo)，這可能會(huì)徹底改變電子產(chǎn)品。此外，這樣的金屬氫可能會(huì)填充像木星這樣的大質(zhì)量氣體行星的中心，因此在地球上合成金屬氫可以幫助我們更多地了解這些行星。
由法國(guó)原子能委員會(huì)保羅·勞本樂(lè)(Paul Loubeyre)領(lǐng)導(dǎo)的研究小組首先通過(guò)將金剛石尖端之間的氫氣壓縮到310 GPa來(lái)生產(chǎn)固體分子氫，正如該組和其他人之前所展示的那樣。然后，他們進(jìn)一步加大壓力，分析了樣品如何吸收在法國(guó)被稱為SOLEIL同步加速器的粒子加速器產(chǎn)生的紅外輻射。在大約425 GPa和絕對(duì)零度(0開(kāi)爾文，即所有物質(zhì)具有最小熱量的溫度)上80度條件下，樣品突然開(kāi)始吸收所有紅外輻射。它們“封閉了帶隙”是對(duì)研究人員發(fā)出的信號(hào)，這意味著固體材料不再需要輸入能量使其電子跳入一種狀態(tài)，以便它們穿過(guò)樣品。
基本上，研究人員聲稱他們已經(jīng)給了氫氣足夠的壓力，量子效應(yīng)現(xiàn)在允許電子像在金屬中一樣流過(guò)樣品。
根據(jù)該論文，兩項(xiàng)新的進(jìn)展使研究人員能夠?qū)崿F(xiàn)他們的觀察。首先，鉆石尖端不是扁平而是環(huán)形的，這意味著它們具有外部平坦表面、圓環(huán)形空間和內(nèi)部平坦表面。這使科學(xué)家們克服了其他鉆石砧座細(xì)胞面臨的400 GPa限制。其次，研究人員設(shè)計(jì)了一種新型的紅外顯微鏡，可以測(cè)量樣品。
“我認(rèn)為這確實(shí)是一項(xiàng)諾貝爾獎(jiǎng)級(jí)別的發(fā)現(xiàn)。”
值得注意的是，這一結(jié)果尚未經(jīng)過(guò)同行評(píng)審，這意味著它尚未出現(xiàn)在主要的科學(xué)期刊中，并且尚未經(jīng)過(guò)該領(lǐng)域的其他專家的評(píng)審。目前還沒(méi)有其他研究人員獨(dú)立驗(yàn)證這一發(fā)現(xiàn)。據(jù)Nature報(bào)道，包括勞本樂(lè)在內(nèi)的科學(xué)家們對(duì)2017年金屬氫的聲稱持嚴(yán)重的懷疑態(tài)度，另一個(gè)團(tuán)隊(duì)對(duì)他們?cè)?012年的發(fā)現(xiàn)表示遺憾。
但是這篇新論文有些不同。“我認(rèn)為這確實(shí)是一項(xiàng)諾貝爾獎(jiǎng)級(jí)別的發(fā)現(xiàn)，”美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的高壓物理學(xué)家馬德瑞·索瑪雅祖魯(Maddury Somayazulu)說(shuō)，他沒(méi)有參與這項(xiàng)研究，他在一封電子郵件中說(shuō)。他解釋說(shuō)，他非常了解SOLEIL的研究報(bào)告的主要作者保羅·杜馬斯(Paul Dumas)，并且杜馬斯是“令人難以置信的”細(xì)心而系統(tǒng)的科學(xué)家。
雖然這還需要等待數(shù)月的同行評(píng)審，但這在該領(lǐng)域肯定是一個(gè)激動(dòng)人心的時(shí)刻，科學(xué)家們最終可能會(huì)在鉆石尖端內(nèi)部產(chǎn)生金屬氫。在不丟失金屬的情況下擰開(kāi)鉆石則是另一個(gè)故事。
