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压力太大,氢会方吗?|X射线见到的固态氢构造点

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压力太大,氢会方吗?| X射线见到的固态氢构造

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原文作者:Bartomeu Monserrat &Chris J. Pickard

大家对氢在极髙压下的特性了解很少。现在有试验表明了氢在髙压下分子结构排序的重要关键点。

氢是宇宙空间中最丰富多彩的原素。人们对星体的了解,取决于对这类原素在极端化溫度和极端化工作压力下的特性的掌握,例如太阳光的成份约75%是氢[1]。在试验室拷贝这种标准是十分具备趣味性的,就连超低温下氢的髙压相构造也是一个难以解决的难题。吉诚[2]等人到《自然》杂志期刊上出文,报导了在史无前例的工作压力下检测氢构造的试验,結果表明了一种六边形密不可分排序的分子式。

氢原子由一个质子和一个电子器件构成,尽管它非常简单,可是氢的髙压相却丰富多彩且繁杂。氢在常温常压下是一种电导体和绝缘体,但在极端化工作压力下能变为一种金属材料[3]——例如这类情况将会协助转化成木星的电磁场。除此之外,基础理论研究表明,金属氢将会会主要表现出很多奇特状况,如高温超导[4]或超流状况[5]。

过去的几十年里,根据将工作压力提升到远超地心处的工作压力,大家发觉了氢的好几个固体相。这种试验都采用了金钢石对顶砧:先将氢试品放进薄箔密封垫片中,随后用螺钉将密封垫片固定不动在2个金钢石中间,就可以对试品管理中心释放极端化工作压力。

剖析缩小试品的关键方式包含科学研究构成分子结构怎样消化吸收红外线,或观查他们怎样漫射光线。这种方式我们一起能够洞察分子结构的构造。以往的科学研究早已表明,伴随着工作压力的提升,氢从一种晶状固态,转化成一种混和相[6,7]。试验結果与理论模型一致[8]。

检验原材料长程层次性的关键技术性是X射线衍射,基本原理是结晶中电子散射的X射线会互相干预。从而造成的透射图包括闪光点——相匹配相长干预;及其暗点——来源于相消干预。很多关键的科学发现,包含DNA的双螺旋结构,都归功于X射线衍射技术性。

可是到迄今为止,运用此项技术性来科学研究髙压氢,都被证实是太具趣味性了。一个关键的难题是,电子散射X射线的工作能力伴随着构成原材料的分子的品质的减少而减少。氢是较轻的原素,造成的数据信号非常很弱。因而,没办法区别氢试品中电子散射的X射线和周边由重元素做成的密封垫片所透射的X射线。另一个挑戰是,用以给试品施加压力的金钢石在曝露于X射线的状况下,非常容易裂开,造成 工作压力损害。

因为这种艰难,氢的X射线衍射科学研究之前最大只有做到190吉帕斯卡[9]。这大概仅仅氢在金钢石对顶砧上能够承担的工作压力的一半,还不能科学研究氢元素最奇特的一些相态,例如混和相。

吉诚和他的朋友们恰当地解决了这种挑戰,在将近五年的時间里,运用达到254吉帕斯卡的工作压力,开展了100数次试验。以便提升氢造成的数据信号与周边环境的数据信号的比照,她们用的密封垫片是由比钨和铼轻的原素做成。作者还根据非常的实验设计方案,在裸钻难以避免地裂开以前的那一段短期内内造成了有效的数据信息。

科学研究結果表明了氢分子在三种髙压固看中的长程构造。在这里三种固看中,氢分子呈六角密积构造,以六角棱镜的样子均匀排序。值得一提的是,提升工作压力会挤压成型棱柱体,使其越来越愈来愈扁,愈来愈宽。

图1极端化工作压力下的氢构造。吉诚等的科学研究結果[2]说明,氢的三个髙压固看中的分子结构均为六角密积构造。这幅图是每一个分子结构中2个持续挪动的质子将会部位的快照更新。它还显示信息了每一个分子结构中2个电子器件的电子密度。

但是,仍有一些难题尚需解释。与全部比氦重的原素不一样,氢沒有紧密联系在原子上的电子器件,氢分子中的电子器件坐落于分子键中。因而,这种电子对X射线的透射不可以用于立即检测原子在分子结构中的部位或分子结构的趋向,只是检测分子键的部位。

因而,吉诚等的X射线科学研究結果必须与别的试验技术相结合,比如红外光谱分析和拉曼光谱分析,还可以包含磁共振光谱仪——该技术性直至上年方能可用在上文所科学研究的极端化工作压力下[10]。将这种试验結果与理论模型紧密结合,将使髙压氢相的详细定性分析变成实际。

在本次X射线科学研究中所做到的工作压力相匹配于绝缘分子结构氢。在接下去的两年里,试验的重中之重将会会放到高些的工作压力上。殊不知,对X射线技术性而言,在氢元素会转为原子化和金属化的工作压力下进行科学研究,将是一个挑戰。在这里相态下,电子器件已不处在分子键中;反过来,构造中全部分子共享资源电子器件,因而不清楚相对的X射线衍射图会是什么样子。对宇宙空间中较轻、最丰富多彩的原素的科学研究将迈入振奋人心的時刻。

论文参考文献:

1.Lodders, K. Astrophys. J. 591, 1220–1247 (2003).

2.Ji, C. et al. Nature 573, 558–562 (2019).

3.Dias, R. P. & Silvera, I. F. Science 355, 715–718 (2017).

4.Ashcroft, N. W. Phys. Rev. Lett. 21, 1748–1749 (1968).

5.Bonev, S. A., Schwegler, E., Ogitsu, T. & Galli, G. Nature 431, 669–672 (2004).

6.Eremets, M. I. & Troyan, I. A. Nature Mater. 10, 927–931 (2011).

7.Howie, R. T., Guillaume, C. L., Scheler, T., Goncharov, A. F. & Gregoryanz, E. Phys. Rev. Lett. 108, 125501 (2012).

8.Pickard, C. J. & Needs, R. J. Nature Phys. 3, 473–476 (2007).

9.Akahama, Y. et al. Phys. Rev. B 82, 060101 (2010).

10.Meier, T. et al. Phys. Rev. X 9, 031008 (2019).

原文以X-rays glimpse solid hydrogen’s structure为题目发布在今年9月25日的《自然》新闻报道与见解版面

© nature

Nature|doi:10.1038/d41586-019-02811-1

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