練就"火眼金睛",科學家讓"幽靈"材料現原形
2019年09月26日09:21

  來源:知社學術圈

  氫是宇宙中含量最豐富的元素。在壓力作用下,氫氣會首先固化結晶,然後演變出一系列的高密度固體相(同一物質的不同相是由於原子尺度上排布方式不同而造成的,例如柔軟的石墨和堅硬的金剛石為碳的兩個物性迥然不同的相)。

  理論預測高壓氫最終會演變為一種“神奇材料”。這種材料具有最高的能量密度,是室溫超導體(導電時無電阻),是超流體能從低處向高處流動,甚至可能是由未知的新物理機製操控的一種新穎的凝聚態。

  為了追求這種“神奇材料”,從上個世紀末至今,高壓學者通過不懈努力,已經使高壓技術所能達到的壓力接近預想中這種材料的存在條件,並在這一過程中發現了許多種氫的高壓新相。然而,測量氫在極端條件下的晶體結構仍是極度困難的,這導致氫的新高壓相的結構無法確定。

  近日,由北京高壓科學研究中心的毛河光院士領導的研究小組,成功探測了在極端高壓條件下的氫分子在原子尺度上的排布方式(此排布方式稱作晶體結構)。該工作解決了長久以來對氫的高壓第四相晶體結構的困惑。這項工作於9月26日發表在國際頂級科學雜誌《自然》上。

  利用先進光子源(美國阿貢國家實驗室)以及上海光源等同步輻射光子源(大型科學裝置)所產生的高輝度X射線束,毛河光院士帶領的團隊克服了一系列技術挑戰,使得之前在X射線下‘隱形’的高壓氫的結構得以測量,從而成功解出了氫第四相的晶體結構。令人驚訝的是,氫分子仍以六方對稱排列(六方對稱是類似雪花一樣的六邊形排列)。六方的氫晶體在高壓下逐漸被壓扁,從而導致電子結構的轉變形成第四相。

圖解: 圖中兩顆對頂的金剛石被稱作金剛石對頂砧,用來產生高達數百萬大氣壓的壓力。高亮度的同步輻射X射線穿透金剛石照射在高壓氫上,高壓氫與X射線相互作用產生的信息顯示了氫在原子尺度的排列方式,亦即晶體結構。
圖解: 圖中兩顆對頂的金剛石被稱作金剛石對頂砧,用來產生高達數百萬大氣壓的壓力。高亮度的同步輻射X射線穿透金剛石照射在高壓氫上,高壓氫與X射線相互作用產生的信息顯示了氫在原子尺度的排列方式,亦即晶體結構。

  “第四相是連接正常固體氫與奇特金屬氫的一個關鍵物相,因而我們必須要理解它的晶體結構。”,本工作的第一作者吉誠研究員表示,“這項工作非常具有挑戰,我們投入了五年的時間逐個攻破技術瓶頸,對於最終能夠準確測量第四相的晶體結構,我個人感到非常興奮。”。

  “極端條件下對氫的研究是物理學界的主要焦點之一,同時也是一個巨大的挑戰。”毛河光院士補充道,“北京高壓科學中心延攬了高壓氫問題上的專家,我們的目標不單是發現新的氫的存在形式,更重要的是進行可靠的表徵從而理解這些高壓相所蘊含的新物理。此項工作就是這種精確表徵的一例,為理解氫金屬化的過程提供了新的手段。”

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