向金属氢冲刺,他们做了这件事—图文

时间:2019-09-26 20:57 来源: 作者:木木

 

图中两颗对顶的金刚石被称作金刚石对顶砧,用来产生高达数百GPa的压力。高亮度的同步辐射X射线穿透金刚石照射在高压氢上,高压氢与X射线相互作用产生的信息显示了氢在原子尺度的排列方式,亦即晶体结构。图片来源:HPSTAR

80多年前,有人预测氢在高压下会演变出一种“神奇”的物态——金属氢。自得到理论预测以来,人工制造出金属氢是高压物理学界首屈一指的核心挑战,对金属氢的追求推动着高压科学的技术发展。

人力资源和社会保障局 近日,由北京高压科学研究中心(HPSTAR)主任毛河光领导的科研小组,与国外科研院校的科学家合作,采用金刚石对顶砧(DAC)技术以及自主研发的同步辐射X射线衍射相关技术,首次在两百二十万个大气压以上实现了对固态氢第四相的晶体结构精确测量。

毛河光告诉《中国科学报》,此项工作破解了长期困扰高压氢研究中的最基本、最亟需解决的技术难题,将此前法国和美国科学家合作保持的压力纪录提高了一倍,为今后直接测量超高压下固态氢以至金属氢的晶体结构提供了一个切实可行的技术手段。相关成果发表在《自然》上。

“高压物理圣杯” 的杯座

氢是宇宙中含量最丰富的元素。在常压下,两个氢原子结合形成氢分子。1935年,诺贝尔物理奖得主尤金.维格纳和物理学家希拉德.亨廷顿预测,氢在25 GPa的高压下会变为金属氢。

毛河光告诉记者,这种材料具有超高的能量密度,理论预测是室温超导体和超流体,甚至可能是由未知的新物理机制操控的一种新颖的凝聚态。同时,金属氢也被认为是氢在木星、土星等大行星中的一种重要的存在形式。

因此,有人将金属氢称为“高压物理的圣杯”。近一个世纪以来,高压学者通过不懈努力,已经使高压技术所能达到的压力接近预想中的条件,并在这一过程中发现了许多种氢的高压新相。

然而,维格纳和亨廷顿显然大大低估了形成金属氢所需的压力,时至今日,人类还未实现静态高压下金属氢的相变,后来的研究认为金属氢相变的压力至少要达到500 GPa。

500 GPa是什么概念?文章第二作者、北京高压科学研究中心研究员李冰告诉《中国科学报》,地心的压力约为360 GPa。

这么高的压力要如何才能得到?

李冰告诉记者,金刚石对顶砧压机用两颗顶对顶放置的金刚石相互施压,可以产生约400 GPa极限静态压力,这是达到如此高的静态压力的唯一手段。

文章第一作者、北京高压科学研究中心研究员吉诚告诉《中国科学报》记者,目前金属氢的研制已经进入白热化阶段,这几年不断有研究小组声称合成了金属氢,但是在业内难以得到共识。很大一个原因是因为在极端条件下由于物理限制,往往测量手段匮乏,测量结果的准确性也不尽如人意。而且众多学者对通过深入研究金属氢以及氢金属化过程,以探索其所蕴含的新的物理机制的重要性,目前也没有足够的认识。

如果说金属氢是圣杯,高压下氢结构的同步测量就好比圣杯的杯座。

吉诚告诉记者,最近发展的基于同步X射线辐射的微纳聚焦探针是解决这一困难的有效手段。

在头发丝上“打怪升级”

毛河光告诉记者,在金刚石对顶砧上进行氢结构的同步单晶X射线衍射测量要面对几个艰难的挑战。

首先,氢会渗入钻石表面导致“氢碎”,在用传统的方法实验时,研究人员发现,最多到160 GPa,钻石砧就会破碎。

“我们的论文报道了22组实验的数据,但实际上我们做了一百多组实验,耗费了几百颗钻石。”吉诚告诉记者,“有时日思夜想梦寐以求的样品终于制备到了需要的压力条件,而实验测量刚开始5分钟还没有收到任何数据金刚石又碎了。”

吉诚说:“在80%的实验都会失败的情况下,唯有坚持不懈,相信只要方法正确,总会成功。我们是抱着这样的决心才最终在这个项目上取得了成功。”

而且,由于氢的X射线散射截面是所有元素中最小的,因此衍射信号很弱,而采用金属铼、钨等做成的传统封垫会形成强烈的干扰,即使运用最新一代同步辐射光源,利用X射线衍射法测量固态氢在百万大气压以上的晶体结构也面临巨大的挑战。

因此,曾有国外科学家断言,此类实验是不可能实现的。

为此,研究人员开发了一种用氧化镁或立方氮化硼和环氧树脂制成的复合材料封垫。由于氧化镁或立方氮化硼是X射线衍射强度弱的材料,而环氧树脂是非晶体,这种封垫产生的衍射信号极弱,用其将氢样品封装可以一举两得,既解决“氢碎”的问题,又解决了金属封垫的信号干扰,使捕捉来自氢的微弱X射线衍射信号成为可能。

但是问题又来了,虽然封垫信号干扰和极限压力的解决了,该使用怎样的测量方法才能测出在超高压下破碎成粉末的氢的X射线衍射呢?样品的尺寸太小了,只有5微米的直径和1微米的厚度。相比之下,一根头发丝都有40微米直径。实验证明无论是美国阿贡国家实验室先进质子源的6x7平方微米光斑还是3x2平方微米光斑都无法直接测量出有效信号。

“我们总说要站在巨人的肩膀上,项目一开始的时候我们还是有一些参照的,但是这个时候已经没有人能告诉我们应该做什么。”吉诚说道,“我们从原理去思考、去探索如何去解决一个一个的技术问题。往往解决了一个,就衍生了下一个问题。然后继续解决,直到打通所有关卡。”

乐在其中的吉诚把研究的过程看成了是在“打怪升级”。

最终,毛河光带领研究小组通过运用高辉度亚微米聚焦X射线束(300纳米)以及多通道准直器技术,在使用复合封垫的样品中成功采集了从20 GPa至250 GPa的氢的X射线衍射数据,涵盖了氢的第一、三及第四相。

向金属氢冲刺的重要一步

毛河光告诉《中国科学报》,之前在X射线下“隐形”的高压氢结构得以测量,从而使他们成功解出了氢第四相的晶体结构。令人惊讶的是,氢分子仍以类似雪花一样的六方对称排列。经历了两次等结构相变后,六方的氢分子晶体在高压下逐渐被压扁,从而导致电子结构的转变形成第四相。

“第四相是连接正常固体氢与奇特金属氢的一个关键物相,因而我们必须要理解它的晶体结构。”吉诚说。

毛河光说,此研究暗示等结构电子相变有可能是固态氢众多相变的一种通用形式,为理解氢在高压下的相变途径提供了一种新的思路。

“氢的金属化问题一直以来是高压科学的焦点和热点,三十年来甚至有不下四次轰动的新闻报道称有人成功合成了金属氢。但其根据都是样品变黑、不透明、反光、导电等单项间接表征,而且都是孤例,没有重复验证。即使真是金属,缺乏可靠的性质测定,也只是个记录,少有物理意义。我们将不单致力于在实验室条件下‘创造’出金属氢,更重要的是对其进行可靠的表征,以发现和理解金属氢的新奇的物理形态和特性,为拓宽对物理理论的认识提供可靠的实验参照。”毛河光告诉记者。

虽然目前人类还没有实现静态压力下金属氢的相变,但是,“此项工作是对从晶体结构上理解金属氢迈出的坚实的一大步。” 毛河光评论道。

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41586-019-1565-9

 

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