在不同壓縮階段採集的樣品。中心是金屬氫,但紅色可能是由於鑽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,可以在適當的溫度和壓力下變成導電的固體金屬。自從開始嘗試合成這種材料以來,科學家已經花費了數十年的時間,而現在可能已經發現它了!
法國的一個研究小組在一個收集物理學、數學、計算機科學、生物學與數理經濟學的論文預印本的網站arXiv上發表了一篇論文,描述了他們在比地球內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現了這個物質形態,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。根據這篇新論文,這種物質“毫無疑問地”存在,這要歸功於量子限制:限制電子的運動,並且由於量子力學的規則,物質的電子和光學性質也會發生變化。據報道,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。
由於一些原因,金屬氫的發現將是令人興奮的。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品。此外,這樣的金屬氫可能會填充像木星這樣的大質量氣體行星的中心,因此在地球上合成金屬氫可以幫助我們更多地瞭解這些行星。
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來生產固體分子氫,正如該組和其他人之前所展示的那樣。然後,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,以便它們穿過樣品。
基本上,研究人員聲稱他們已經給了氫氣足夠的壓力,量子效應現在允許電子像在金屬中一樣流過樣品。
根據該論文,兩項新的進展使研究人員能夠實現他們的觀察。首先,鑽石尖端不是扁平而是環形的,這意味著它們具有外部平坦表面、圓環形空間和內部平坦表面。這使科學家們克服了其他鑽石砧座細胞面臨的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現。”
值得注意的是,這一結果尚未經過同行評審,這意味著它尚未出現在主要的科學期刊中,並且尚未經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現。據Nature報道,包括勞本樂在內的科學家們對2017年金屬氫的聲稱持嚴重的懷疑態度,另一個團隊對他們在2012年的發現表示遺憾。
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現,”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,他非常瞭解SOLEIL的研究報告的主要作者保羅·杜馬斯(Paul Dumas),並且杜馬斯是“令人難以置信的”細心而系統的科學家。
雖然這還需要等待數月的同行評審,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鑽石尖端內部產生金屬氫。在不丟失金屬的情況下擰開鑽石則是另一個故事。