人类梦寐以求的金属氢,还要再等90年?( 二 )


四年后,法国原子能委员会(CEA)的保罗·劳拜尔领导的研究小组认为,这样的结果本在意料之中 。估算氢产生金属性的压力值,是根据氢原子中可利用电子的两种截然不同能态之间的“间隙”来进行测量的——压力增加,间隙会缩小,从而改变电子吸收光或发射光的方式 。在间隙即将闭合、材料变成金属之前,氢的电子会吸收光,但不发射光,这就导致材料变得越来越不透明 。然而,一旦间隙完全闭合,电子能够以自由运动的导电体的形式存在时,它们将重新发射吸收的光能,使材料具有高度的反射性 。
根据观察推断,劳拜尔和同事们认为,让氢转变为金属态需要大约450GPa的压力 。
金属氢样品 争议中诞生又“不小心”丢失
又过了13年时间,产生金属氢的目标终于达到了 。事实上,最终压力已达495GPa,研究人员也目睹了氢获得金属性的过程 。至少,美国哈佛大学两位研究人员迪亚斯和伊萨克·西维拉,于2017年在《科学》杂志上发表的一篇同行评议论文中是如此宣称的 。在美国哈佛大学发布的一份新闻稿中,西维拉将这项成果称为“高压物理学的圣杯” 。
但劳拜尔并不认可这样的说法 。他在接受《自然》杂志采访时表示,“这篇论文根本没有说服力” 。这是因为论文所谓获得的金属性,只是基于对氢的反射率的测量结果:在495GPa时,它变得发亮了 。但还可能存在其他原因,比如金刚石尖端上氧化铝涂层在巨大的压力下,也有可能会改变氢的反射性 。
而且,压力读数是根据金刚石在高压下的振动方式推断出来的,而非直接测量得到的,因此声称所获得的压力未能说服其他研究人员,劳拜尔认为压力可能不超过350GPa 。
位于德国美因茨的马普化学研究所的米哈伊尔·埃雷梅茨也在尝试制造金属氢 。他和同事亚历山大·德罗兹多夫表示,哈佛研究者所发表的数据中还找不到令人信服的金属氢证据,“除了引用来自钻石表面涂层反射率变化来表明可能性外,压力测量也模糊不清,并不明确” 。
【人类梦寐以求的金属氢,还要再等90年?】显然,现在需要做的是:重复实验 。但说起来容易做起来难,因为这种实验是自毁式的 。
迪亚斯和西维拉一直对氢样品的脆弱性很担心,这也是为什么他们限制测量数量和范围的原因 。更重要的是,在公布了他们具有里程碑意义的成果,准备进一步研究时,他们发现样品消失不见了 。
时隔两年之后,他们仍然不知道它发生了什么,金属氢的碎片——如果真的已转变为金属氢的话——只有10微米厚,可能是从两个金刚石砧的夹持下滑出,滑到仪器底部丢失了,或者也有可能是蒸发了 。但他们仍然坚称“非常有信心,我们观察到了金属氢的存在” 。
争论中前行 金属氢发现之门终将被打开
科学家之间的这场争论也为最终发现金属氢打开了大门 。
2019年6月,劳拜尔在一篇题为“接近425GPa时向金属氢转变的一级相变观测结果”的论文中提出了他们的看法 。这篇论文是他和在CEA的同事弗洛朗·奥塞利,以及法国同步加速器SOLEIL研究机构的保罗·杜玛斯共同撰写的 。
“我们展示了在接近425GPa的压力条件下,一个从绝缘体分子固态氢到金属氢的相变 。”他们认为,之所以能够达到这个压力,是因为奥塞利帮助开发了一种新的金刚石铁砧 。
埃雷梅茨认为,这些观察结果很有趣,但远不是结论性的 。迪亚斯指出,为了证明金属态的存在,这两件事中至少有一件要得到证明:一是证明当温度接近绝对零度时,电导率仍是限定的;二是证明材料的反射率随着波长的增加而增加——但他认为这两点都还没有显示出来 。