85年前预言的金属氢，被创造出来了？

氢是宇宙中最丰富的元素，气态的氢很简单，而固态氢却非常复杂。早在1935年，理论物理学家尤金·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质，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，一场拉锯战式的搜寻竞赛便由此展开了。长期以来，世界各地的科学家都在试图寻找金属氢，虽然有时他们会得到一些似是而非却令人欣喜的结果，然而要在如此高的压强下通过实验来证实这个预测是极其困难的。

在过去的几年里，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《自然》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领域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。

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承受更高的压强。

○ 传统金刚石压砧艺术构想图图示。| 图片来源：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。

研究一经发表，就得到了许多相关领域研究人员的关注。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展开进一步探索。

然而，宣布一项发现并非像打开电灯的开关一般简单，很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强调的那样，他们看到的是“可能过渡到金属氢”的证据。

由于受到实验设备的灵敏度的限制，他们无法完全排除存在一个小的能带间隙的可能性，这是将材料转变成导体所需输入的少量能量。如果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可能性很小，但要真正确定制造出了金属氢，就必须彻底排除它存在的可能。

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，氢仍然以分子固体的形式存在，这意味着它的原子仍然结合在一起，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实际上可能在390 GPa左右。目前，搜索仍在继续。

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进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前进了一大步。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可能实现。

目前，仍有许多问题有待解答。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？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，并进一步地揭示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合作之外，也将继续展开激烈的竞争。

参考链接：

[1] https://www.nature.com/articles/s41586-019-1927-3

[2] https://www.nature.com/articles/d41586-020-00149-7#ref-CR1

[3] https://gizmodo.com/after-an-80-year-quest-scientists-have-almost-certainl-1841332239