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)

物理學家尤金·保羅·維格納(Eugene Paul Wigner)在80多年前預測，氫氣是宇宙中最豐富的元素，可以在適當?shù)臏囟群蛪毫ο伦兂蓪щ姷墓腆w金屬。自從開始嘗試合成這種材料以來，科學家已經(jīng)花費了數(shù)十年的時間，而現(xiàn)在可能已經(jīng)發(fā)現(xiàn)它了!

法國的一個研究小組在一個收集物理學、數(shù)學、計算機科學、生物學與數(shù)理經(jīng)濟學的論文預印本的網(wǎng)站arXiv上發(fā)表了一篇論文，描述了他們在比地球內(nèi)核更大的壓力下對金屬氫的觀察。也有其他研究人員聲稱發(fā)現(xiàn)了這個物質(zhì)形態(tài)，但通常都遇到了不同程度的懷疑。但是一些專家認為這個最新的聲明可能是真的。

金屬氫正是它聽起來的樣子—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)“毫無疑問地”存在，這要歸功于量子限制：限制電子的運動，并且由于量子力學的規(guī)則，物質(zhì)的電子和光學性質(zhì)也會發(fā)生變化。據(jù)報道，在足夠高的壓力下，任何絕緣體都能成為導電金屬;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倍。

由于一些原因，金屬氫的發(fā)現(xiàn)將是令人興奮的。當然，實驗可以證明這種材料的存在。它能在沒有升溫的情況下傳輸電力，這意味著它將是超導體，甚至可能是室溫超導體。這是物理學家另一個長期追求的目標，這可能會徹底改變電子產(chǎn)品。此外，這樣的金屬氫可能會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。

由法國原子能委員會保羅·勞本樂(Paul Loubeyre)領導的研究小組首先通過將金剛石尖端之間的氫氣壓縮到310 GPa來生產(chǎn)固體分子氫，正如該組和其他人之前所展示的那樣。然后，他們進一步加大壓力，分析了樣品如何吸收在法國被稱為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和絕對零度(0開爾文，即所有物質(zhì)具有最小熱量的溫度)上80度條件下，樣品突然開始吸收所有紅外輻射。它們“封閉了帶隙”是對研究人員發(fā)出的信號，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，量子效應現(xiàn)在允許電子像在金屬中一樣流過樣品。

根據(jù)該論文，兩項新的進展使研究人員能夠?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。這使科學家們克服了其他鉆石砧座細胞面臨的400 GPa限制。其次，研究人員設計了一種新型的紅外顯微鏡，可以測量樣品。

“我認為這確實是一項諾貝爾獎級別的發(fā)現(xiàn)。”

值得注意的是，這一結(jié)果尚未經(jīng)過同行評審，這意味著它尚未出現(xiàn)在主要的科學期刊中，并且尚未經(jīng)過該領域的其他專家的評審。目前還沒有其他研究人員獨立驗證這一發(fā)現(xiàn)。據(jù)Nature報道，包括勞本樂在內(nèi)的科學家們對2017年金屬氫的聲稱持嚴重的懷疑態(tài)度，另一個團隊對他們在2012年的發(fā)現(xiàn)表示遺憾。

但是這篇新論文有些不同。“我認為這確實是一項諾貝爾獎級別的發(fā)現(xiàn)，”美國阿貢國家實驗室的高壓物理學家馬德瑞·索瑪雅祖魯(Maddury Somayazulu)說，他沒有參與這項研究，他在一封電子郵件中說。他解釋說，他非常了解SOLEIL的研究報告的主要作者保羅·杜馬斯(Paul Dumas)，并且杜馬斯是“令人難以置信的”細心而系統(tǒng)的科學家。

雖然這還需要等待數(shù)月的同行評審，但這在該領域肯定是一個激動人心的時刻，科學家們最終可能會在鉆石尖端內(nèi)部產(chǎn)生金屬氫。在不丟失金屬的情況下擰開鉆石則是另一個故事。