金属氢是什么物质组成？如何才能得到液态金属氢?
氢分子是由周期表中第一个也是最轻的元素组成的。
当氢气被压缩或冷却时，它形成最简单的分子固体。
这种固体展现了许多有趣的物理现象。
人们相信，如果将这种固体压缩到很高的压强，随着密度的增加，氢将转变成目前最轻的金属。
金属氢将具有不寻常的性质，例如室温超导性或超流体性。
对氢金属化的众多主张和当前的实验状况进行了系统性的分析。
物理学中最重要和最有趣的问题：金属氢
01
1971年，诺贝尔奖获奖者维塔利·金茨堡院士编撰了一份二十一世纪之交物理学和天体物理学中最重要和最有趣的问题名录。
名录中的第一和第二个问题是受控核聚变和室温超导，第三个就是金属氢。
宇宙中最简单的元素如何转变成稠密的金属已成为凝聚态科学中最有趣和最基本的问题之一。
在过去的20年里，金茨堡提出的许多问题已经得到解决，玻色-爱因斯坦凝聚，希格斯玻色子的发现，引力波的发现，以及基于它们的新型天体物理观测的发展等都获得了诺贝尔奖。
然而，迄今为止的所有证据表明，我们仍未达到氢的固态金属态。
氢金属化这一看似简单的问题尚未得到解决。
维塔利·金茨堡获得2003年度诺贝尔物理奖
但是为什么金兹堡把金属氢的问题和玻色-爱因斯坦凝聚或室温超导体放在同等重要的地位呢？氢是宇宙中最常见的原子，它有一个电子，在通常环境条件下以双原子分子状态存在，并且容易与周期表中几乎所有其他元素形成化合物。
如果与氧结合，它会形成水，这是生命存在不可或缺的物质；如果与镧结合，它会形成LaH10，这是迄今为止声称的超导转变温度最高的超导体（在180GPa的压强下，Tc=260K）。
人们认为高度凝聚的金属氢是类木行星的主要组成。
在地球上，氢同位素的聚变反应被广泛认为是唯一能够持续数千年为先进社会提供动力的能源。
即使在今天，氢燃料电池已经被用于公共交通系统。
氢是周期表中的第一个元素，表面上是最简单的元素，但它代表了许多科学领域的经典试验场，比如物理、化学、地球科学和材料科学。
目前已知的氢相图（见图1），加上可能存在的其他特殊性质，如可能存在于极端高压缩下的超导性或超流性，使其成为科学家们在固体物理和化学领域争相研究的对象。
“金属氢问题”的提出实际上比金茨堡1971年的论文要早得多。
1935年，尤金·维格纳（EugeneWigner，现代固态物理学的奠基人之一）和他的同事希尔拉德·亨廷顿(HillardHuntington)首次试图预测氢被压缩到非常高的密度时会发生什么。
基于近自由电子的图像，他们预测在超过25GPa——在当时是难以想象的压强时，氢会进入金属状态。
因为他们不知道氢的可压缩性，所以对所需压强的估计相差甚远。
自那以来的80年里，实验高压物理学逐渐发展成熟，成功地将氢置于400GPa的压强下，比威格纳和亨廷顿最初的预测几乎增加了16倍。
在稠密氢中观察到了大量令人兴奋和有趣的现象，但这种金属态仍然难以企及。
由于积累的经验、知识以及显著改进的实验和理论方法，我们现在对这些问题有了更好的理解，并对将分子气体转变为最轻金属所需的P–T条件作出有根据的猜测。
尽管实验人员已经接近使氢金属化所需的压强，但理论预测值仍超过了目前的静态压强极限。
预测还表明基态氢(T=0K)由于强烈的量子效应，将是一种全新的物质状态，取决于所施加的磁场可能表现为超流或超导。
因此，将氢金属化并达到新的物质状态，是凝聚态物理学目前最激动人心和有趣的发现。
图1. H分子的P-T相图
高密度氢和氘，解离和金属化
02
氢的行为表现出强烈的量子效应，其核量子效应比任何其他原子都大，这就解释了氢原子独特的行为。
固体氢具有巨大的量子零点能，远大于其熔化潜热，德拜温度远高于熔化温度。
这些因素决定了氢在稠密状态下的奇异行为。
目前已知氢的五个固相（见图1），这是稳定元素中独一无二完整的结构信息（例如原子位置和分子的形状）。
根据维格纳和亨廷顿及其他人的早期预测，如果氢分子被解离并形成一个纯原子的碱金属固体，该固体可以表现出室温超导电性。
事实上，100多年前，朗缪尔就尝试第一次打破氢键。
他们证明，需要极端条件才能做到这一点；比如氢分子在高温下（在3000K时，解离度约为10%）可以发生很小的程度的解离。
另一个破坏氢键的机制是采用高压。
然而，通过高压获得原子金属态的路径已被证明是高压物理学中的一个重大的实验挑战，尽管技术进步，这种理论预测仍有待实验证实。
然而，最近对第五相的发现和研究提供了实验建议，即解离将伴随着金属化，并且随着压强的增加，这两种变化同时并逐渐发生。
液态氘中的绝缘体到金属的转换最近在冲击波实验中观察到。
然而，观察到的氘的金属液态存在于相对较高的温度下（大约在1000K），这不是理论预测的基态。
我们只关注氢（和氘）的金属态及其在“低温”（即约等于或低于300K）下的性质。
氢在金刚石压砧中凝固后，用拉曼光谱对其进行了研究，压强最高约为66GPa。
研究发现，一开始氢分子内振动频率随着压强的增加而增加，然而超过33GPa后，随着压强的增加而开始降低。
由于振动频率是H-H键能的一种量度，因此可以推断在某个非常高的压强下，分子键将被破坏，氢分子可以转化为类似于Li或Na的碱金属。
尽管金刚石压砧的样品环境受到限制，但探针可用于评估“金属丰度”。
然而，所有这些探针都有局限性，与达到350GPa以上压强所需的小尺寸（2–3μm）的氢样品一起采集时，容易导致对数据的误判，进而导致错误的氢金属化的推断。
历史上实现金属氢的主张
03
1989年，卡内基研究所地球物理实验室的小组首次声称实现氢金属化。
该小组根据拉曼信号的减弱和样品吸收的增加，得出他们已经实现金属氢的结论（压强大于200GPa）。
哈佛大学也立即跟进研究。
不久后，随着实验方法的改进，很明显，观察到的效应（例如，拉曼信号的损失和样品的“变暗”）可以的通过高压下氢的损失和被误认为是带隙的闭合的金刚石荧光的增强来解释。
大约20年后，又有人声称成功实现金属氢。
当时，马普研究所(Max-PlanckInstitute)的一个研究小组将拉曼光谱与样品电阻的直接电测量结合起来，大胆地宣称他们在260GPa以上观察到了“液态金属氢”。
这一说法再次基于拉曼信号和样品电阻率在260GPa时突然下降。
然而，论文发表后不久，有人发现氢在300K压强小于315GPa时仍处于分子和原子半导体固体的混合相（第四相）中，在较低温度下转变为第三相。
拉曼信号的损失和样品电阻的下降是由氢的损失和样品室的坍塌造成的。
在高于325GPa发现第五相之后，在实验中所达到的金属化和极高压强的说法开始频繁出现（在过去三年中有三个不同的主张）。
在过去30年的各种金属化主张中，哈佛大学团队最近的一篇论文引起了最广泛的讨论。
这篇论文的标题“观察金属氢的维格纳-亨廷顿跃迁”具有误导性，因为维格纳-亨廷顿跃迁是分子和原子状态之间的跃迁，而这篇论文没有论证氢的分子或原子状态。
它声称的氢金属化和达到500GPa的极高压强（目前普遍认为这不在标准金刚石压砧技术的范围内），除了iPhone照片外，没有任何科学证据（如图2）。
四条批评性的评论紧接着发表，引发了一场关于金属氢的公开辩论。
图2.哈佛大学“ObservationoftheWigner-Huntingtontransitiontometallichydrogen”一文中氢在不同压缩阶段的照片
如何才能证明实现金属氢？
04
为了比较不同组的结果，需要有可靠的压强测量。
目前普遍认为超过400GPa的压强已接近标准金刚石压砧的极限。
压强通常由金刚石拉曼模式的位移来估计，而拉曼模式又可以与样品的信号相互参照。
必须使用氢振动模式的拉曼频率来提供比金刚石模式偏移更可靠的关系：在氢模式偏移的情况下，样品的状态可以直接探测，而金刚石模式偏移不行。
对于红外反射率/透射测量，可以测量对应的红外振动频率，并与金刚石位移相互参照，从而可以比较不同实验之间的压强。
在处理氢金属化这一热点问题时，最重要的是可重复性。
几乎所有被质疑的氢金属化的说法都是基于一个没有说服力的实验，这些实验从未得到重复。
“威格纳-亨廷顿金属氢相”的发现是在三年多以前宣布的，但无论是来自其他竞争团队，还是作者本人，都没有证实金属丰度或论文中任何声明(包括压强)的真实性。
可重复性的缺乏导致了文献的不一致:2011年声称存在260GPa的“原子液态金属氢”的作者，最近又宣布存在高于400GPa的半金属固态氢，让读者猜测应该相信哪个发现。
很明显，我们已经非常接近于达到氢的固态金属态，但是结果的可重复性需要高压技术的持续发展——令人信服地达到超过400GPa的压强。
只有最终达到氢的固体金属态时，金兹堡的第三个特别重要和有趣的物理学问题才会从这份名单上划掉。
