高壓物理學的聖杯，金屬氫真的被造出來了嗎？

原文以Physicists doubt bold report of metallic hydrogen為標題

發布在2017年1月26日的《自然》新聞上

原文作者：Davide Castelvecchi

許多研究者對聲稱將氫壓縮為金屬態的論文表示懷疑。

兩位物理學家聲稱，他們通過用高壓擠壓將氫變為了金屬。80多年來，物理學家一直在嘗試實現這一壯舉。

但其他科學家對他們的聲明感到相當懷疑。他們的實驗是對這個屢屢失敗的領域的最新一次嘗試。

Ranga Dias和Isaac Silvera都是哈佛大學的物理學家，他們首先於去年十月在arXiv預印本網站上報告了結果，並但立刻招來了批評。這份報告的同行評議版本發表在了1月26日的《科學》期刊上，但懷疑者指出論文並沒有加入多少新信息。

壓力之下：哈佛大學研究者宣稱已使用金剛石壓砧成功將氫擠壓為金屬態，但物理學界對此並不信服。

Max Alexander/Science Photo Library

五位專家告訴《自然》新聞團隊，他們目前還不相信這一聲明，仍然需要更多的證據才能得出結論。「我認為這篇論文根本沒有說服力，」法國原子能委員會的物理學家Paul Loubeyre表示。

Silvera和Dias說，他們希望在用脆弱的實驗材料進一步驗證實驗前，先發表初步的觀測結果。

金屬氫之夢

自從理論物理學家在1935年首次預測金屬氫的存在以來，在實驗室製備出金屬氫就一直是高壓研究者的夢想。根據理論預測，在高壓砧內用足夠的壓力擠壓，氫就能獲得導電性——金屬態的標誌。理論學家還表示，金屬氫可能還擁有其它奇異性質，比如在室溫下擁有超導性（電阻為零的性質）。

通過製備金屬氫，物理學家或許就能在實驗室探索行星科學：據推論，木星等氣態巨行星的核心含有金屬氫，這或許是它們能維持磁場的原因。

近年來，物理學家已經在高於地心壓力的壓力下，用金剛石壓砧擠壓了微量氫樣本。這種實驗非常精細，且很容易出現錯誤。研究者已經在擠壓過程中觀察到了材料顏色從透明轉變為深色的變化，這意味著電子被擠壓在一起後擁有了吸收可見光光子的能力。但能反射光線、閃閃發亮的金屬氫的存在還沒有得到證明。2011年，德國馬克斯·普朗克化學研究所的物理學家報告的結果也存在爭議。該團隊領導人Mikhail Eremets表示，他的團隊還沒有取得金屬氫存在的決定性證據。

Dias和Silvera聲稱，他們能以超過此前任何團隊的高壓擠壓氫元素。為了實現這一點，他們使用了一個能放進低溫恆溫器的壓砧，將氫樣本冷卻到了略高於絕對零度的溫度。他們還宣稱找到了一種能更好地打磨金剛石壓頭的方法，從而消除可能導致金剛石破碎的不規則性。隨後，他們將壓強加到了4950億帕斯卡（495GPa），幾乎是海平面大氣壓的500萬倍。

「突然間，氫變成了一種閃亮、反光的物質，這種物質只可能是金屬，」Silvera說。Silvera表示，通過顯微鏡觀察，氫樣本閃閃發亮，而且會以金屬氫應有的方式反射光線。

兩位物理學家說，顯微鏡照片展示了氫從透明氣體（圖左）轉變為黑色分子態（圖中），最終變為閃亮的金屬態（圖右）的過程。

R. Dias, I. F. Silvera

重新測量

其他研究者並沒有被他們說服。卡內基科學研究所的地球物理學家Alexander Goncharov說，研究者觀察到的閃亮金屬到底是不是氫還遠不清楚。Goncharov此前也批評過Silvera實驗室的研究方法。他提出，這種閃亮的金屬可能是氧化鋁。壓砧的金剛石壓頭上鍍了一層氧化鋁，而且氧化鋁在高壓下也可能出現不同的表現。

Loubeyre和另一些科學家認為，壓砧內壓力與調節螺釘之間的校準不精確，Silvera和Dias高估了他們取得的壓力大小。英國愛丁堡大學的物理學家Eugene Gregoryanz補充，部分問題在於，這兩位研究者只在最高壓力下對樣品進行了一次詳細測量，使人們難以看出壓力在實驗過程中是如何變化的。

「要想說服眾人，他們得重做一次測量，真正測量出壓力的演變，」Loubeyre說。「然後，他們還必須證明氧化鋁在這樣的壓力範圍下不會變為金屬態。」

但Silvera表示，他只是想在驗證實驗前先將消息公之於眾。據他所說，驗證性實驗可能會破壞他們寶貴的樣本。「我們想用這個樣本來發表這個突破性的進展，」他說。為了保護材料，他和Dias把材料保存在了低溫恆溫器里。他說，他的實驗室只有兩台低溫恆溫器，另一台正用於其它實驗。「既然論文已經被接受了，我們還將開展進一步的實驗。」

雖然質疑眾多，但《科學》期刊和哈佛大學發布的新聞稿仍然充滿信心地宣稱製成了金屬氫。「製備金屬氫是高壓物理學的聖杯，」Silvera在哈佛大學的新聞稿中說。「這是地球上的首個金屬氫樣本。」

Naturedoi:10.1038/nature.2017.21379