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丈量氢在极端条件下的晶体结构仍是极度困难的

2019-09-27 13:11:21

氢是宇宙中含量最丰厚的元素。在压力效果下,氢气会首要固化结晶,然后演变出一系列的高密度固体相(同一物质的不同相是由于原子尺度上排布方法不同而形成的,例如柔软的石墨和坚硬的金刚石为碳的两个物性迥然不同的相)。

  理论猜测高压氢最终会演变为一种“神奇资料”。这种资料具有最高的能量密度,是室温超导体(导电时无电阻),是超流体能从低处向高处流动,甚至可能是由不知道的新物理机制操控的一种新颖的凝聚态。

  为了寻求这种“奇特材料”,从上个世纪末至今,高压学者经过不懈努力,现已使高压技能所能达到的压力接近预想中这种材料的存在条件,并在这一过程中发现了许多种氢的高压新相。然而,丈量氢在极端条件下的晶体结构仍是极度困难的,这导致氢的新高压相的结构无法确定。

  近来,由北京高压科学研究中心的毛河光院士领导的研究小组,成功探测了在极点高压条件下的氢分子在原子尺度上的排布方式(此排布方式称作晶体结构)。该工作解决了长久以来对氢的高压第四相晶体结构的困惑。这项工作于9月26日宣布在世界尖端科学杂志《天然》上。

  使用先进光子源(美国阿贡国家实验室)以及上海光源等同步辐射光子源(大型科学设备)所产生的高辉度X射线束,毛河光院士带领的团队克服了一系列技术挑战,使得之前在X射线下‘隐形’的高压氢的结构得以丈量,然后成功解出了氢第四相的晶体结构。令人惊奇的是,氢分子仍以六方对称摆放(六方对称是类似雪花一样的六边形摆放)。六方的氢晶体在高压下逐渐被压扁,然后导致电子结构的转变形成第四相。

图解: 图中两颗对顶的金刚石被称作金刚石对顶砧,用来产生高达数百万大气压的压力。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。图解: 图中两颗对顶的金刚石被称作金刚石对顶砧,用来产生高达数百万大气压的压力。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。

  “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。”,本工作的第一作者吉诚研究员表示,“这项工作非常具有挑战,我们投入了五年的时间逐个攻破技术瓶颈,对于最终能够准确测量第四相的晶体结构,我个人感到非常兴奋。”。 

  “极端条件下对氢的研究是物理学界的主要焦点之一,同时也是一个巨大的挑战。”毛河光院士补充道,“北京高压科学中心延揽了高压氢问题上的专家,我们的目标不单是发现新的氢的存在形式,更重要的是进行可靠的表征从而理解这些高压相所蕴含的新物理。此项工作就是这种精确表征的一例,为理解氢金属化的过程提供了新的手段。”

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