超高真空的反面!法国科学家已经造出金属氢

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长期以来,科学家们一直认为,在木星的内核,材料物理的规律有着显著特征。在那种极端压力的环境下,就连氢气都能被挤压成为金属。由于金属氢具有广阔的应用前景,多年以来,科学家们一直在寻找合成金属氢的方法。

金属氢

从这张木星内部的剖面图可以看到它的石质地核覆盖了一层厚厚的液态金属氢。图:Kelvinsong/Wikimedia Commons

目前来说,已知的唯一方法就是用金刚石对顶砧压缩氢原子。经过数十年的努力(自首次理论提出已经有80年历史了),一个来自法国的科学家团队终于在实验室环境下造出了金属氢。尽管存在很多怀疑的声音,但科学界还是有很多人认可这一成果。

近日,arXiv发表了该团队的预印本论文“Observation of a first order phase transition to metal hydrogen near 425 GPa”。该团队由来自法国原子能和替代能源委员会和同步加速器SOLEIL等机构的Paul Dumas、Paul Loubeyre和Florent Occelli组成。

在论文中,他们指出,在量子限域的法则下,“金属氢应该存在”是无可争辩的事实。亦即如果任何材料的电子受到足够的限制,那么最终就会发生所谓的“带隙闭合”。简而言之,任何绝缘材料在足够大的压力下,都应该能成为导电金属。

他们还说明了使其实验成为可能的两项进展。

金属氢

本次实验使用的金刚石对顶砧的扫描电子纤维照片。图:Paul Dumas等

第一项是他们使用的金刚石对顶砧装备,其金刚石顶端是环形(圆环形),而不是扁平的。这使得该团队能够突破其他金刚石对顶砧(400GPa)的压力限制,并达到600GPa。

金属氢

同步加速器SOLEIL的鸟瞰图。图:C.Kermarrec/Synchrotron SOLEIL

第二项是他们在SOLEIL设计的一种能够测量样品的新型红外光谱仪。一旦测量到样品达到425GPa的压力和80K(-193℃)的温度,就会向研究人员汇报样品开始吸收所有的红外辐射,从而表明样品已经将“间隙闭合”了。

自然地,该研究引起了一些批评和质疑。主要是因为,以前关于金属氢合成的想法要么被证明失败,要么就毫无结果。此外,这项研究还没有接受同行评议,别的物理学家也尚未进行实验验证。

不过,这项成果还是有不少支持者的。其中一个是来自美国阿贡国家实验室的副教授Maddury Somayazulu。在一次采访中,他表示:“我认为这确实是一个诺奖级的发现。这可能是关于纯氢研究的最清洁、最全面的工作之一。”Somayazulu还表示,他非常了解该研究的主要作者Paul Dumas,他认为后者是一位“非常严谨、做事条理的科学家”。

金属氢

上图为2017年哈佛大学制造金属氢实验的显微图像。图:Isaac Silvera

下图为本次法国科学家实验的显微图像,中间那张图显示了金属氢的形成。图:Paul Dumas等

另一个对这项研究高度肯定的科学家,是来自卡内基研究院地球物理实验室的Alexander Goncharov。2017年1月时,哈佛大学莱曼物理实验室的研究团队宣称使用类似方法获得金属氢时,他就表示过怀疑。(哈佛大学这项成果当时也引起一些争议,但没过几天,由于操作失误,他们的金属氢样本就消失了。)不过对于这个法国团队的最新研究,他则表示:“我认为这篇论文包含了氢的间隙闭合的有力证据。尽管其中的某些解释是错误的,还有些数据可以做得更好,但总体上,我是相信这项成果的。”

作为合成材料,金属氢的应用是极其广泛的,尤其是它在室温下具有超导特性,并且是亚稳态的(意味着一旦恢复为常压,它也能保持其固体性)。这种属性在电子产品中非常有用。

这对于从事高能物理学研究的科学家来说也是一个好消息,就像目前正在欧洲核子研究中心进行的研究那样。最重要的是,这项研究将使得天体物理学家无需发送探测器,直接在地球上研究巨行星内部的条件成为可能。

因此,金属氢的潜力就像冷聚变。鉴于此,任何声称已经成功造出金属氢的人,自然会面对很多棘手的问题。我们所能做的就是希望最新的实验能够成功,然后为之庆祝,或是等待科学家的下一次尝试。