長(zhǎng)期以來，科學(xué)家們一直認(rèn)為，在木星的內(nèi)核，材料物理的規(guī)律有著顯著特征。在那種極端壓力的環(huán)境下，就連氫氣都能被擠壓成為金屬。由于金屬氫具有廣闊的應(yīng)用前景，多年以來，科學(xué)家們一直在尋找合成金屬氫的方法。

從這張木星內(nèi)部的剖面圖可以看到它的石質(zhì)地核覆蓋了一層厚厚的液態(tài)金屬氫。圖：Kelvinsong/Wikimedia Commons

目前來說，已知的唯一方法就是用金剛石對(duì)頂砧壓縮氫原子。經(jīng)過數(shù)十年的努力(自首次理論提出已經(jīng)有80年歷史了)，一個(gè)來自法國的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)終于在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下造出了金屬氫。盡管存在很多懷疑的聲音，但科學(xué)界還是有很多人認(rèn)可這一成果。

近日，arXiv發(fā)表了該團(tuán)隊(duì)的預(yù)印本論文“Observation of a first order phase transition to metal hydrogen near 425 GPa”。該團(tuán)隊(duì)由來自法國原子能和替代能源委員會(huì)和同步加速器SOLEIL等機(jī)構(gòu)的Paul Dumas、Paul Loubeyre和Florent Occelli組成。

在論文中，他們指出，在量子限域的法則下，“金屬氫應(yīng)該存在”是無可爭(zhēng)辯的事實(shí)。亦即如果任何材料的電子受到足夠的限制，那么最終就會(huì)發(fā)生所謂的“帶隙閉合”。簡(jiǎn)而言之，任何絕緣材料在足夠大的壓力下，都應(yīng)該能成為導(dǎo)電金屬。

他們還說明了使其實(shí)驗(yàn)成為可能的兩項(xiàng)進(jìn)展。

本次實(shí)驗(yàn)使用的金剛石對(duì)頂砧的掃描電子纖維照片。圖：Paul Dumas等

第一項(xiàng)是他們使用的金剛石對(duì)頂砧裝備，其金剛石頂端是環(huán)形(圓環(huán)形)，而不是扁平的。這使得該團(tuán)隊(duì)能夠突破其他金剛石對(duì)頂砧(400GPa)的壓力限制，并達(dá)到600GPa。

同步加速器SOLEIL的鳥瞰圖。圖：C.Kermarrec/Synchrotron SOLEIL

第二項(xiàng)是他們?cè)赟OLEIL設(shè)計(jì)的一種能夠測(cè)量樣品的新型紅外光譜儀。一旦測(cè)量到樣品達(dá)到425GPa的壓力和80K(-193℃)的溫度，就會(huì)向研究人員匯報(bào)樣品開始吸收所有的紅外輻射，從而表明樣品已經(jīng)將“間隙閉合”了。

自然地，該研究引起了一些批評(píng)和質(zhì)疑。主要是因?yàn)�，以前關(guān)于金屬氫合成的想法要么被證明失敗，要么就毫無結(jié)果。此外，這項(xiàng)研究還沒有接受同行評(píng)議，別的物理學(xué)家也尚未進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

不過，這項(xiàng)成果還是有不少支持者的。其中一個(gè)是來自美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的副教授Maddury Somayazulu。在一次采訪中，他表示：“我認(rèn)為這確實(shí)是一個(gè)諾獎(jiǎng)級(jí)的發(fā)現(xiàn)。這可能是關(guān)于純氫研究的最清潔、最全面的工作之一。”Somayazulu還表示，他非常了解該研究的主要作者Paul Dumas，他認(rèn)為后者是一位“非常嚴(yán)謹(jǐn)、做事條理的科學(xué)家”。

上圖為2017年哈佛大學(xué)制造金屬氫實(shí)驗(yàn)的顯微圖像。圖：Isaac Silvera

下圖為本次法國科學(xué)家實(shí)驗(yàn)的顯微圖像，中間那張圖顯示了金屬氫的形成。圖：Paul Dumas等

另一個(gè)對(duì)這項(xiàng)研究高度肯定的科學(xué)家，是來自卡內(nèi)基研究院地球物理實(shí)驗(yàn)室的Alexander Goncharov。2017年1月時(shí)，哈佛大學(xué)萊曼物理實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊(duì)宣稱使用類似方法獲得金屬氫時(shí)，他就表示過懷疑。(哈佛大學(xué)這項(xiàng)成果當(dāng)時(shí)也引起一些爭(zhēng)議，但沒過幾天，由于操作失誤，他們的金屬氫樣本就消失了。)不過對(duì)于這個(gè)法國團(tuán)隊(duì)的最新研究，他則表示：“我認(rèn)為這篇論文包含了氫的間隙閉合的有力證據(jù)。盡管其中的某些解釋是錯(cuò)誤的，還有些數(shù)據(jù)可以做得更好，但總體上，我是相信這項(xiàng)成果的。”

作為合成材料，金屬氫的應(yīng)用是極其廣泛的，尤其是它在室溫下具有超導(dǎo)特性，并且是亞穩(wěn)態(tài)的(意味著一旦恢復(fù)為常壓，它也能保持其固體性)。這種屬性在電子產(chǎn)品中非常有用。

這對(duì)于從事高能物理學(xué)研究的科學(xué)家來說也是一個(gè)好消息，就像目前正在歐洲核子研究中心進(jìn)行的研究那樣。最重要的是，這項(xiàng)研究將使得天體物理學(xué)家無需發(fā)送探測(cè)器，直接在地球上研究巨行星內(nèi)部的條件成為可能。

因此，金屬氫的潛力就像冷聚變。鑒于此，任何聲稱已經(jīng)成功造出金屬氫的人，自然會(huì)面對(duì)很多棘手的問題。我們所能做的就是希望最新的實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虺晒�，然后為之慶祝，或是等待科學(xué)家的下一次嘗試。