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这次,我们可能真的看到了金属氢!

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在不同压缩阶段采集的样品。中心是金属氢,但红色可能是由于钻石中的分子变化而不是氢。图片:Loubeyre等(arXiv 2019)

物理学家尤金·保罗·维格纳(Eugene Paul Wigner)在80多年前预测,氢气是宇宙中最丰富的元素,可以在适当的温度和压力下变成导电的固体金属。自从开始尝试合成这种材料以来,科学家已经花费了数十年的时间,而现在可能已经发现它了!

法国的一个研究小组在一个收集物理学、数学、计算机科学、生物学与数理经济学的论文预印本的网站arXiv上发表了一篇论文,描述了他们在比地球内核更大的压力下对金属氢的观察。也有其他研究人员声称发现了这个物质形态,但通常都遇到了不同程度的怀疑。但是一些专家认为这个最新的声明可能是真的。

金属氢正是它听起来的样子—具有金属特性的元素氢状态。根据这篇新论文,这种物质“毫无疑问地”存在,这要归功于量子限制:限制电子的运动,并且由于量子力学的规则,物质的电子和光学性质也会发生变化。据报道,在足够高的压力下,任何绝缘体都能成为导电金属;例如,氧气在100 GPa下变成金属,这一压力大约是海平面地球空气压力的一百万倍。

由于一些原因,金属氢的发现将是令人兴奋的。当然,实验可以证明这种材料的存在。它能在没有升温的情况下传输电力,这意味着它将是超导体,甚至可能是室温超导体。这是物理学家另一个长期追求的目标,这可能会彻底改变电子产品。此外,这样的金属氢可能会填充像木星这样的大质量气体行星的中心,因此在地球上合成金属氢可以帮助我们更多地了解这些行星。

由法国原子能委员会保罗·劳本乐(Paul Loubeyre)领导的研究小组首先通过将金刚石尖端之间的氢气压缩到310 GPa来生产固体分子氢,正如该组和其他人之前所展示的那样。然后,他们进一步加大压力,分析了样品如何吸收在法国被称为SOLEIL同步加速器的粒子加速器产生的红外辐射。在大约425 GPa和绝对零度(0开尔文,即所有物质具有最小热量的温度)上80度条件下,样品突然开始吸收所有红外辐射。它们“封闭了带隙”是对研究人员发出的信号,这意味着固体材料不再需要输入能量使其电子跳入一种状态,以便它们穿过样品。

基本上,研究人员声称他们已经给了氢气足够的压力,量子效应现在允许电子像在金属中一样流过样品。

根据该论文,两项新的进展使研究人员能够实现他们的观察。首先,钻石尖端不是扁平而是环形的,这意味着它们具有外部平坦表面、圆环形空间和内部平坦表面。这使科学家们克服了其他钻石砧座细胞面临的400 GPa限制。其次,研究人员设计了一种新型的红外显微镜,可以测量样品。

“我认为这确实是一项诺贝尔奖级别的发现。”

值得注意的是,这一结果尚未经过同行评审,这意味着它尚未出现在主要的科学期刊中,并且尚未经过该领域的其他专家的评审。目前还没有其他研究人员独立验证这一发现。据Nature报道,包括劳本乐在内的科学家们对2017年金属氢的声称持严重的怀疑态度,另一个团队对他们在2012年的发现表示遗憾。

但是这篇新论文有些不同。“我认为这确实是一项诺贝尔奖级别的发现,”美国阿贡国家实验室的高压物理学家马德瑞·索玛雅祖鲁(Maddury Somayazulu)说,他没有参与这项研究,他在一封电子邮件中说。他解释说,他非常了解SOLEIL的研究报告的主要作者保罗·杜马斯(Paul Dumas),并且杜马斯是“令人难以置信的”细心而系统的科学家。

虽然这还需要等待数月的同行评审,但这在该领域肯定是一个激动人心的时刻,科学家们最终可能会在钻石尖端内部产生金属氢。在不丢失金属的情况下拧开钻石则是另一个故事。

文/钱海

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