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  • 向金属氢冲刺,他们做了这件事

    来源:www.shuoshisheng.net 发布时间:2020-04-17

    作者:迟闫涵杰资料来源:中国科学日报,发布时间:2019/9/26 173360442:10

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    向金属氢冲刺。他们做了这件事

    顶部的两对钻石被称为钻石砧对,用来产生高达数百GPa的压力。 高亮度同步辐射x光穿透钻石并照射高压氢。高压氢和x光相互作用产生的信息显示了氢在原子尺度上的排列,即晶体结构 图片来源:惠普之星

    80多年前,有人预测氢会在高压下演化成一种“神奇”的物质状态金属氢。 自理论预测获得以来,金属氢的人工生产是高压物理学的主要核心挑战。对金属氢的追求推动了高压科学的技术发展。

    近日,由北京高压科学研究中心(HPSTAR)主任毛河光带领的科研团队,与国外科研机构的科学家合作,首次实现了利用金刚石砧座(DAC)技术和自主研发的同步辐射x光衍射相关技术对220万大气压以上固体氢第四相晶体结构的精确测量。

    毛河光告诉《中国科学报》,这项工作解决了长期困扰高压氢研究的最基本、最紧迫的技术问题,使此前由法国和美国科学家保持的压力记录翻了一番,为将来在超高压下直接测量固体氢甚至金属氢的晶体结构提供了实用的技术手段。 相关结果发布于《自然》。

    “高压物理学圣杯”的杯座:“氢是宇宙中最丰富的元素。” 在常压下,两个氢原子结合形成氢分子。 1935年,诺贝尔奖获得者尤金维格纳和物理学家希拉克德亨廷顿预测,在25 GPa的高压下,氢将变成金属氢

    毛河光告诉记者,这种材料具有极高的能量密度。理论预测是,它是室温超导体和超流体,甚至可能是一种由未知的新物理机制控制的新凝聚态。 同时,金属氢也被认为是木星和土星等主要行星上氢的重要形式

    因此,有人称金属氢为“高压物理学的圣杯” 在过去的一个世纪里,高压学者为使高压技术达到的压力接近预期条件进行了不懈的努力,并在此过程中发现了许多高压氢的新阶段。

    然而,维格纳和亨廷顿显然低估了形成金属氢所需的压力。迄今为止,人类还没有实现金属氢在静态高压下的相变。后来的研究认为,金属氢相变的压力应该达到至少500 GPa。

    500 GPa的概念是什么?文章第二作者、北京高压科学研究中心研究员李冰告诉《中国科学报》,地球中心的压力约为360 GPa。

    你怎么会有这么高的压力?

    李冰告诉记者,钻石砧压机可以通过将两颗钻石压在一起产生大约400 GPa的静压极限。这是获得如此高静压的唯一方法

    文章第一作者、北京高压科学研究中心研究员季承告诉《中国科学报》记者,金属氢的发展已经进入白热化阶段。近年来,几个研究小组声称已经合成了金属氢,但在工业上很难达成共识。 一个很大的原因是,在极端条件下,由于物理限制,测量方法往往很少,测量结果的准确性也不令人满意。 此外,许多学者还没有充分认识到通过深入研究探索金属氢和氢金属化过程中所包含的新物理机制的重要性。

    如果金属氢是圣杯,高压下氢结构的同步测量就像圣杯的杯座

    季承告诉记者,最近开发的基于同步x光辐射的微纳聚焦探头是解决这一难题的有效手段。

    在发丝“奇怪的战斗升级”上毛河光告诉记者,在金刚石砧上氢结构的同步单晶x光衍射测量将面临几个困难的挑战。

    首先,氢会渗入钻石表面,导致“氢碎裂”。在用传统方法进行的实验中,研究人员发现,高达160 GPa的钻石砧将被打碎。

    “我们的论文报告了22组实验数据,但事实上我们做了100多组实验,花了数百颗钻石 ”季承告诉记者,“有时候梦里的样本最终已经准备好满足所需的压力条件,而钻石在实验测量的5分钟内没有收到任何数据就被打碎了。 "

    季承说:“在80%的实验失败的情况下,我们必须坚持下去,相信只要方法正确,我们就会永远成功。” 正是怀着这样的决心,我们终于在这个项目上取得了成功。 “

    此外,由于氢的x光散射截面在所有元素中最小,衍射信号非常微弱,传统的密封垫由金属铼、钨等制成。会形成强烈的干扰。即使使用最新一代的同步辐射光源,用x光衍射法测量一百万个大气压以上固体氢的晶体结构也将面临巨大的挑战。

    因此,外国科学家曾经断言这样的实验是不可能的

    为此,研究人员开发了一种由氧化镁或立方氮化硼和环氧树脂制成的复合垫片 由于氧化镁或立方氮化硼是一种x光衍射强度较弱的材料,而环氧树脂是无定形的,因此由该密封垫产生的衍射信号非常微弱。用它包装氢样品可以一举两得,既解决了“氢碎裂”的问题,又解决了金属密封垫的信号干扰,使得从氢中捕捉微弱的x光衍射信号成为可能。

    然而,问题又出现了。虽然解决了密封垫的信号干扰和极限压力的求解,但在超高压下,氢分解成粉末的x光衍射应该用什么测量方法?样品尺寸太小,直径只有5微米,厚度只有1微米。 相比之下,每根发丝的直径为40微米。 实验证明,美国阿尔贡国家实验室先进质子源的6×7平方微米点和3×2平方微米点都不能直接测量有效信号。

    “我们总是说我们应该站在巨人的肩膀上。在项目开始时,我们仍然有一些参考资料,但是没有人能告诉我们此时该做什么。 ”季承说,“我们从原理上思考,探索如何逐一解决技术问题 当一个问题解决了,下一个问题就出现了。 然后继续解决,直到通过各级 享受这一过程的季承认为这一研究过程是“推卸责任的升级”。"

    最后,毛河光带领研究团队,通过使用复合密封垫在样品中使用高亮度亚微米聚焦的x光光束(300纳米)和多通道准直器技术,成功收集了氢气从20 GPa到250 GPa的x光衍射数据,覆盖了氢气的第一、第三和第四相。

    迈向金属氢冲刺的重要一步

    毛河光告诉《中国科学报》,先前“看不见的”高压氢结构是在x光下测量的,因此使他们能够成功地解决氢的第四相晶体结构 令人惊讶的是,氢分子仍然像雪花一样呈六角形对称排列。 经过两次等结构转变后,六方氢分子晶体在高压下逐渐变平,导致电子结构转变形成第四相。

    “第四相是连接普通固体氢和外来金属氢的关键相,所以我们必须了解它的晶体结构 ”季承说

    毛河光说,这项研究表明,同结构电子相变可能是固体氢中许多相变的常见形式,为理解高压下氢的相变途径提供了一种新的方法。 氢气金属化一直是高压科学的焦点和热点。在过去的30年里,甚至有超过四条耸人听闻的新闻报道称有人成功合成了金属氢。 然而,它是基于单一的间接表征,如样品变黑、不透明、反射、导电等,所有这些都是孤立的情况,无需重复验证。 即使它真的是金属,缺乏可靠的性能测定只是一个记录,没有什么物理意义。 我们不仅将致力于在实验室条件下“创造”金属氢,更重要的是,对其进行可靠的表征,以便发现和理解金属氢的新物理形式和特性,并为拓宽物理理论的理解提供可靠的实验参考。 ”毛河光告诉记者

    尽管人类还没有在静压下实现金属氢的相变,但是,“这项工作是从晶体结构中理解金属氢的坚实一步。” ”毛河光评论道

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