靜態超高壓下氫的晶體結構實驗研究

吉 誠，李 冰，楊文革，毛河光

（北京高壓科學研究中心，北京 100094）

1 氫晶體結構測量的重要性及研究歷史

氫是宇宙中含量最豐富的元素，擁有最簡單的電子結構。然而極端壓力條件可使常溫常壓下絕緣的氫經歷一系列相變，最終可能演化為金屬[1]。由于氫的原子輕，金屬氫一方面被預測為室溫超導體（德拜溫度高，電聲耦合強）[2]，另一方面又被預測為超流體（量子效應顯著）[3]。為驗證這些預測，高壓實驗科學家付出了不懈努力以推高壓力極限，不斷逼近金屬氫產生的實驗條件。近年來，有一些報道宣稱獲得了金屬氫[4-7]，但因實驗細節[8-12]存在爭議且未獲得重復實驗，因此并未得到普遍認可[13-14]。在提升壓力極限的過程中，表征金剛石對頂砧（DAC）中高壓氫的技術手段也在升級，使得微小的氫樣品可在 200 GPa 以上壓力下通過微聚焦拉曼光譜[5，15-24]、可見光吸收光譜[18，25]、紅外吸收光譜[4，6，17，20，24，26-28]、電阻測量[5，7]等方法進行檢測。遺憾的是，這些方法雖然可以提供氫的分子振動及電子結構信息，但是難以直接提供晶體結構信息。目前已經被公認，固體氫在400 GPa壓力下至少存在5個物相[22]。研究氫在壓力下晶體結構的演變，一方面對于理解氫的金屬化過程至關重要，另一方面可以為理論計算中如何處理量子效應以及多體效應等問題提供有力的參考。但由于氫的X射線散射能力是所有元素中最弱的，想要通過X射線衍射方法直接測量高壓氫的晶體結構絕非易事，而基于中子衍射的高壓實驗又難以達到足夠的壓力，導致氫的晶體結構研究滯后。……