金屬氫短暫的一生

2017年1月，哈佛大學物理學家Isaac Silvera團隊宣布，他們製造出了地球上最稀有、最珍貴的材料——金屬氫，成功將高壓物理這一領域帶入了人們的視野。

為什麼我們如此費盡心血地來研製金屬氫呢？因為一旦金屬氫問世，就如同當年蒸汽機的誕生一樣，將會引起整個科學技術領域一場劃時代的革命。金屬氫是一種亞穩態物質，可以用它來做成約束等離子體的「磁籠」，把熾熱的電離氣體「盛裝」起來，這樣，受控核聚變反應使原子核能轉變成了電能，而這種電能將是廉價而又乾淨的，我們就能方便地建造起一座座「模仿太陽的工廠」，人類將最終解決能源問題。用金屬氫輸電，可以取代大型的變電站而輸電效率超過99%，從而使全世界的發電量增加四分之一以上。如果用金屬氫製造發電機，其重量不到普通發電機重量的10%，而輸出功率可以提高几十倍乃至上百倍。

然而2月22日，英媒報道，由於操作失誤，這塊唯一的金屬氫消失了。

氫氣credit:Rex

什麼是金屬氫？明明是可以讓氣球飄起來的氣體怎麼就變成金屬了呢？

氫，作為元素周期表的第一個元素，隸屬於第一主族，第一主族都是鹼金屬元素，唯獨氫顯得格格不入。那什麼是金屬呢？當金屬表面光滑時，它們反射光的效率很高(反射率高)，因此它們具有「金屬光澤」；但非金屬卻沒有很高的反射能力，因而具有「無光澤的顏色」。這也是之後判斷氫是否金屬化的標誌。

在大多數普通化合物中，原子由於共同享有電子而緊密地保持在一起。當電子都被緊緊地束縛在某一個原子上時，物質就表現出非金屬性質。根據這種準則，氫是一種非金屬。普通的氫分子是由兩個氫原子構成的。每個氫原子只有一個電子，構成一個分子的兩個氫原子共享那兩個電子，也就是沒有多餘的自由電子。

而早在80年前，Wigner和Huntington就提出，在極端的物理條件下，氫會轉變成一個氫原子分配一個電子，且電子可以自由移動的金屬狀態，類似鹼金屬。

怎樣才能實現這種狀態呢？既然常規方法已被證明行不通，科學家們決用「暴力」解決。他們對氫施加極大的外力，破壞原有的分子結構，改造成金屬的結構。假定有足夠的壓力把氫原子非常緊密地擠在一起，以致各個原子都被8個、10個甚至12個近鄰原子所包圍。於是，每個氫原子的單個電子，不管原子核有異常強的吸引力，就可能開始從一個相鄰原子滑到另一個相鄰原子。這樣你就會得到「金屬氫」。

要實現以上的假設氫原子必須處在巨大的壓力(500Gpa，大約5000000個大氣壓)下，在太陽系中最接近於滿足這個條件的地方是在木星的中心，因此有些人認為，木星的內部也許是由金屬氫所構成的。在地球上如何實現這麼大的壓力大呢？科學家發明了一種金剛石壓砧(Diamond Anvil Cell，簡稱DAC)的方法。當能施加的壓力達到極限時，通過減小受力面積可以獲取更高壓力。

哈佛的學者們就是運用這一方法，在-268攝氏度下將極少量液態氫放在金剛石的砧面(就是鑽石的尖端，直徑50微米)，將兩個鑽石合攏，施加外力，從而達到極高的壓力。在壓強不斷升高的同時，用紅外光測量氫的反射率，以判斷它是否金屬化。當壓力達到495Gpa時,他們驚喜的發現原本黑色的固態氫逐漸變得有金屬光澤，反射率也達到了0.91，其他的參數如等離子體頻率，電子密度也都符合金屬的特性。就這樣第一塊金屬氫就製備成功了~

樣品狀態的轉化：205Gpa是透明的液態氫，415Gpa不透明固態氫，495Gpa變成金屬。credit: Ranga Dias & Isaac F. Silvera

正當哈佛的學者們準備嘚瑟時候，悲劇發生了。2017年2月22日，也就是論文在Science上發表的一個月後，當Isaac團隊嘗試用低功率激光器測量壓力時，聽到了輕微的「咔嗒聲」，表明其中一塊金剛石已碎成塵埃。鑽石恆久遠，一顆永流傳」的神話在495Gpa的極高壓力下，也是顯得弱不經風。Isaac說「我的心沉到了低谷」，這一災難性的失敗使樣本消失了。

# 原文始發於公眾號 牛油果進化論

本文譯自 Ranga Dias & Isaac F. Silvera，由譯者 Hulk 基於創作共用協議(BY-NC)發布。

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