高科，重磅Nature!│超高压晶体学技术突破揭示氢的金属化路径

摘要：金属氢是高压科学领域一个非常重要的课题。高质量的实验表征数据对于理解金属氢的奇异物性具有重要意义，其中，直接的晶体学测量是理解金属氢最重要一项表征。近日，由北京高压科学研究中心（高科）毛河光院士和吉诚研究员带领的国际研究团队继2019年再次在氢的超高压晶体学测

金属氢是高压科学领域一个非常重要的课题。高质量的实验表征数据对于理解金属氢的奇异物性具有重要意义，其中，直接的晶体学测量是理解金属氢最重要一项表征。近日，由北京高压科学研究中心（高科）毛河光院士和吉诚研究员带领的国际研究团队继2019年再次在氢的超高压晶体学测量方面取得了突破性进展。他们通过开发基于同步辐射纳米探针的先进单晶X射线衍射技术，校验了氢第IV相的晶体结构：其对称性降低的同时晶胞扩大了6倍，表现出类石墨烯的层状结构。该研究揭示了氢在强压缩下通过分子缔合发生聚合的物理过程。相关成果以“Ultrahigh-pressure crystallographic passage towards metallic hydrogen”为题发表于《自然》杂志上。

作为元素周期表中的第一个元素，氢具有十分重要的地位。首先它是最古老的元素，同时是宇宙中含量最丰富的元素。其在所有元素中最简单的原子和电子结构为理论建模提供了重要的试验场，从而在上个世纪量子力学的发展中发挥了极其重要推动作用。在常压下，氢以气体形式存在，但在极端压力下氢将结晶成固体，并随着压力的增加展现出丰富的相变。理论预测表明，在达到足够高的压力下，氢很可能转变为一种具有新颖物性的金属，如室温超导，以及一种同时具备超导和超流体特性的奇异量子态。然而，欲理解金属氢的奇异物性，必须充分了解其晶体结构。但是，在各种超高压表征技术中，氢（最轻的元素）的晶体结构的测量是最困难的一项，尤其在超高压环境下。超高压下对固态氢的晶体学研究高度依赖于同步辐射技术的发展。回望历史，第二代同步辐射光源的出现将氢的XRD测量极限从5 GPa提升至25 GPa（1989年）。随后，第三代同步辐射光源能够产生微米级的聚焦光斑，进一步将XRD测量的压力提升至了百万大气压（1996年）。2019年，毛河光院士团队通过将multi-channel collimator和纳米聚焦光技术应用在氢的晶体学测量中并首次成功实现了200 GPa以上压力下氢的XRD测量，并得出氢的第IV相是具有类六方密堆积(hcp) 的晶体结构，这与低温下的III相的类hcp结构类似。

继2019年的工作，该团队再次与全球主要同步辐射光源（包括上海同步辐射装置（SSRF）、德国PETRA III（DESY）和瑞典MAX IV实验室（隆德大学））合作，针对氢的晶体学研究共同开发了基于纳米聚焦光束的超高压同步辐射单晶XRD技术，并首次成功捕获了氢第IV相完整的单晶衍射数据，揭示了第IV相是具有更大晶胞、更低对称性的post-hcp结构。

“可以说2019年我们突破了采集微弱信号的屏障，2025年的工作实现对氢的复杂晶体结构的校验。相较我们之前的研究结果（Nature 573, 7775, 2019），新开发的技术的优势在于：能够实现UB矩阵的测量，可以明确指示超晶胞造成的微弱布拉格峰出现的位置并进行指认，从而确认了post-hcp结构的存在，这也是首次实现了对氢的复杂晶体结构的精确解析。”吉诚研究员说到。“可见，发展超高压X射线单晶衍射技术是充分理解氢的高压相变（即氢向金属氢演化的路径）的关键。” “2019年我们初步检测排列成六方晶胞的结构，这次的工作可更在原有的六方晶胞框架内，清晰的探测到氢原子复杂的四层结构和每层的六方网络格动态精密细节。”毛河光院士补充。“有了这些关键信息，相信金属氢结构的神秘面纱会很快会被揭晓。”

为了从原子排布层面详细地理解结构的变化，该团队的合作者吉林大学刘寒雨教授进行了一系列的理论计算模拟，发现氢第IV相的晶体结构为混合层状排列，其中一层呈现出类石墨烯构型，表明了由分子缔合导致的聚合趋势。

氢聚合过程的晶体学证据对理解其金属化路径具有重要意义。在金属氢这一概念诞生之初，诺贝尔奖得主尤金·维格纳预测，氢在高压下会转变为具有类似碱金属的体心立方结构的金属。然而，现代的理论计算提出了更为复杂的金属氢结构构型，甚至包括超导超流态。氢聚合化的发现表明，氢的金属化可能并非一个解离过程，而是伴随分子间相互作用的不断增强，逐步聚合的过程。最终，金属氢的性质将由其独特的晶体结构决定，而新开发的实验和理论方法将为最终揭开这一谜题提供强有力的研究手段。