金屬氫！百年理論終於完成向現實的華麗轉身

在歷經近一個世紀之後，哈佛大學的科學家終於成功地將曾經的理論變為現實——他們創造了這個星球上最稀有的，也是最有價值的材料：金屬氫！

這一材料，是由哈佛大學自然科學系教授伊薩克·席爾瓦拉（Issac Silvera）和他的博士後研究員蘭加·迪亞茲（Ranga Dias）共同發現的。金屬氫除了在實際用途上可以幫助科學家解答有關物質本質的基本問題之外，從理論上看，這一材料還擁有十分廣泛的潛在功能，比如將其用作室溫超導體。

發現這一稀有材料的論文已發表於1月26日出版的《科學》雜誌上。

哈佛大學自然科學教授伊薩克·席爾瓦拉（Issac Silvera）

「這一發現堪比高壓物理學界的聖杯」，席爾瓦拉這樣形容他的發現。「這是地球上第一個金屬氫樣品。同時也說明，當你在觀察這一樣品的時候，你看見的是一種世界上從未存在過的東西！」

為了得到金屬氫，席爾瓦拉和迪亞茲頗費了一番功夫，因為氫的高壓實驗很難做。他們將一塊微小的固態氫樣品置於495千兆帕斯卡的高壓下（大約相當於488萬個大氣壓），這一數值甚至超過了位於地球中心的壓力值。

在這一極端的外部壓力下，分子氫的化學鍵將被打開，最終形成由氫原子為最小單位而組成的晶體氫，即具有金屬性質的金屬氫。

金剛石對頂砧產生的壓力甚至超過地球中心壓力

這項工作不僅幫助人們理解氫的一般性質提供了重要的新窗口，同時，它也為研究這一潛在的革命性新材料提供了前所未有的新途徑。

席爾瓦拉說：「在有關金屬氫的諸多預測中，其中最重要的預測即是該材料將是「亞穩態」，即材料本身並不處於平衡狀態，但是卻能維持相對穩定的狀態。

這裡所說的亞穩態金屬氫（簡稱MSMH）將對金屬氫的應用起到非常關鍵的影響。亞穩態金屬氫的重要特性就是當壓力撤除後，它並不會馬上恢復成普通氫氣。

打個不十分恰當的比方，這有點類似於人們利用石墨在高溫和高壓條件下製備金剛石，當恢復到常溫常壓之後，金剛石仍然會保持金剛石的狀態，而不會變回石墨。

石墨與金剛石

席爾瓦拉表示，判定這種材料是否穩定任然是一個十分重要的課題。因為之前的預測表明，金屬氫可能是一種室溫環境（約17攝氏度）下的超導體。

「這將是革命性的發現，」席爾瓦拉教授接著說道。「在buzz電網中，有多達15％的能量在電力輸送環節就被損耗了，因此如果能利用這種材料製成電纜，並且將其用於電網之中，將完全扭轉這一現狀。」

迪亞茲說，室溫超導體絕對可以稱作物理學界的「聖杯」。它可以徹底變革我們的運輸系統，使得磁懸浮高速列車成為可能。同時，它還能使電動汽車更有效率，並改善許多電子設備的性能。

金屬氫還能為能量的產生與存儲帶來重大變革——因為超導體具有零電阻的特點，因此能量可以通過超導線圈中的電流進行存儲，然後在需要時使用。

在壓力足夠的條件下，透明氫分子轉變為黑氫半導體，再轉變為金屬氫原子

金屬氫不僅具有變革人類在地球上生活的巨大潛力，同時作為世界上已知的最強力的火箭推進劑，它還將幫助人類探索遙遠的太空。

席爾瓦拉解釋道，「金屬氫的製備消耗了大量的能量。因此，如果將它轉化回氫分子，將釋放所有蘊藏的能量，這將使得金屬氫成為人類已知的最為強大的火箭推進劑，並徹底的變革航天領域。」

衡量火箭燃料燃燒效率的單位是「比衝量」，即推進劑從火箭後方噴射的速度，它的單位是秒。目前，最為強大的液態推進器的比沖為450秒，而金屬氫的理論比沖竟達到了1700秒。

席爾瓦拉說，「這將使得探索外行星變得輕鬆許多。金屬氫的重要性體現在：火箭的發射階段將從現在的兩個減少到一個。與此同時，我們還能夠將更大的有效載荷送入軌道。」

此外，為了達到能夠創造這一全新材料的苛刻條件，席爾瓦拉和迪亞茲選擇了地球上最為堅硬的一種材料———金剛石。

但是，他們所使用的金剛石並不是天然鑽石，而是兩塊經過精心拋光的合成金剛石。這兩塊金剛石在使用之前經過了特殊處理，使其變得更加堅固。隨後，這兩塊金剛石相對地安裝在金剛石對頂砧上。

圖中的上下兩顆金剛石對頂砧壓縮氫分子，在壓力足夠的條件下，樣本轉化為右圖的氫原子。

席爾瓦拉說，「我們使用鑽石粉對金剛石的表明進行了拋光處理，但是它可能會破壞金剛石表面的結構，剝離碳原子。當我們使用原子力顯微鏡對鑽石表面進行觀察時，我們發現了一些缺陷。而這些缺陷可能會削弱材料的強度，並有可能引起材料的斷裂。」

席爾瓦拉繼而介紹說，為了解決這一問題，他們使用了反應離子蝕刻工藝，從金剛石的表面刮削出一層僅為5微米厚的微小薄層 —— 該厚度僅為人類頭髮直徑的十分之一。隨後，他們將金剛石的表面塗覆上了一層氧化鋁薄層，以防止氫擴散到金剛石晶體結構中，引起材料脆化。

在經過長達四十多年的不懈耕耘後，席爾瓦拉坦言，他第一次親眼見證這一材料，內心無比激動。這一天，距離金屬氫第一次在理論層面上提出，已經過去了近一個世紀！

博士後研究員蘭加·迪亞茲（Ranga Dias）與本次發現使用的實驗設備

他說，「這真的十分讓人激動。那時候研究團隊正在進行實驗，大家都認為我們很有可能實現這一目標。後來他們給我打電話說，『樣品閃閃發光！』我馬上跑下去看，發現真的是金屬氫！」希爾瓦拉教授激動地回憶道。「我立即說，我們必須進行測量確認，所以我們隨後重新安排了實驗室......我們就是這麼做的。」

「這是一項無與倫比的成就，即使金屬氫只能在這種金剛石對頂砧中存在，這一發現都可以稱得上是至關重要的革命性成果。"

編輯：胡仲略

論文信息：

【題目】Observation of the Wigner-Huntington transition to metallic hydrogen

【作者】Ranga P. Dias, Isaac F. Silvera

【期刊】Science

【日期】26 January 2017

【DOI】10.1126/science.aal1579

【摘要】Producing metallic hydrogen has been a great challenge to condensed matter physics. Metallic hydrogen may be a room temperature superconductor and metastable when the pressure is released and could have an important impact on energy and rocketry. We have studied solid molecular hydrogen under pressure at low temperatures. At a pressure of 495 GPa hydrogen becomes metallic with reflectivity as high as 0.91. We fit the reflectance using a Drude free electron model to determine the plasma frequency of 32.5 ± 2.1 eV at T= 5.5 K, with a corresponding electron carrier density of 7.7 ± 1.1 × 10^23 particles/cm3, consistent with theoretical estimates of the atomic density. The properties are those of an atomic metal. We have produced the Wigner-Huntington dissociative transition to atomic metallic hydrogen in the laboratory.