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低温物理学

低温物理学

终于看到金属氢了吗?

26 Jan 2017
三种不同压力下压缩氢气的照片
轻元素:金属氢(右)与反射光一起发光。 (由Ranga Dias和Isaac Silvera提供)

美国研究人员声称,对固态氢向金属的低温转化的首次观察(最早是在80年前预测的)。这种材料需要进一步研究-尚不清楚它是固体还是液体-但一些理论家已经预测到金属氢的奇异且潜在有用的特性,例如室温超导性。但是,至少有一位领先的高压物理学家对此结果并不确信。

氢气在标准条件下为无色双原子气体。然而,在1935年,尤金·威格纳和希拉德·亨廷顿预测,在25 GPa(250,000倍大气压)或更高的压力下,它将形成原子的固态金属。后来证明,这种压力被大大低估了,因为随着密度的增加,氢气的可压缩性降低。液态金属氢占木星和土星的大部分,这种液态金属可以通过在高压下加热氢直至穿过所谓的等离子体相变而产生。它最初是在静态实验中由 艾萨克·西尔维拉(Isaac Silvera) 和2016年在哈佛大学的同事。

然而,尽管有一些建议表明这种材料可能具有令人感兴趣的特性,但仍未明确观察到所谓的维格纳-亨廷顿转变,其中固态金属氢在更高的压力下不加热就形成。 1968年,纽约伊萨卡市康奈尔大学的尼尔·阿什克罗夫特(Neil Ashcroft)提出,它可能是高温超导体。然后在2011年, 戴维·塞珀利 伊利诺伊大学的杰弗里·麦克马洪(Jeffrey McMahon)预测,在500 GPa时,转变温度将大大高于室温。

褪色为黑色

2016年,Silvera’s小组报告称,将金刚石砧室中的氢气压缩至420 GPa –当时报道的最高静态压力。 arXiv预印服务器上的纸张。在335 GPa下,样品从透明相变成黑色相,但得出的结论是它不是金属。有趣的是 Mikhail Eremets 和德国美因兹马克斯·普朗克化学研究所的同事们发表了另一篇 arXiv纸 在2016年“possible metallic”氢气在360GPa的氢相中。 Silvera及其同事认为,这很可能与他们观察到的阶段相同。

在这项新研究中,西尔维达(Silvera)和他的同事兰格·迪亚斯(Ranga Dias)修改了他们的仪器,以进一步增加压力。他们发现,在495 GPa的压力下,样品从黑色变为高反射率-Silvera和Dias说,这证明氢已成为金属。但是,仍然存在许多问题,例如样本’s state: “It’在低温下,氢的基态可能是液体,” says Silvera, “If it’s a liquid, then it’s all part of the same phase of liquid metallic hydrogen. 如果它’是一个固体,我认为是,然后’s interesting too.”

Silvera和Dias将样品在液氮温度下稳定保持了大约三个月。他们现在打算进行一系列更具挑战性的测试,例如拉曼和X射线散射,以确定其状态和结构,以及测量电阻以确定其电导率。也许最诱人的是,它希望释放压力以查看其是否仍然具有金属性:“It’据预测,金属氢是亚稳态的,”Silvera解释说。如果证明它是超导体,那将是特别有趣的,尽管转变温度会发生什么仍然不确定:“我希望,如果它是在很高压力下的超导体,而您释放了压力并且它是亚稳态的,则临界温度会有所变化,但可能不会很大,” Silvera says.

过去有很多错误的说法,所以我认为每个人都将寻求确认和更多有关新阶段的数据
伊利诺伊大学David Ceperley

Ceperley谨慎地热心:“寻找金属氢一直是一个有争议的领域,” he says. “过去有很多错误的说法,因此我认为每个人都将寻求确认和更多有关新阶段的数据。”

然而,Eremets并没有被说服“我们观察到了更有力的金属证据,但我们并没有声称它确实是金属,可能只是金属。”他批评缺乏重复实验,并描述了用于测量压力的技术,“ambiguous”说真正的压力可能在大约400-630 GPa之间。最后,他批评研究人员’在没有电导率数据的情况下,依靠反射率测量作为金属性的证明:“他们观察到的可能来自半导体,” he says, “因为窄间隙半导体的反射非常好。”

Silvera对此解释提出异议,认为半导体的反射率应随温度而增加,而其材料在冷却材料时会变得更具反射性:“这是金属的预期行为,” he concludes.

该研究描述于 科学.

版权 ©2020年由IOP 出版 Ltd和个人贡献者