【复材信息】重磅Nature！通过上一段楼梯来认识金属氢。

05-20 08:29

氢气在高压下的结构演化及其与原子金属氢的关系是凝聚物理学中的一个关键问题。继2019年之后，由北京高压科学研究中心(高新)毛河光教授和吉诚研究员带领的国际研究团队在氢的超高压晶体测量方面再次取得突破。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，他们验证了氢第IV相的晶体结构:其对称性下降，晶胞扩大6倍，表现出类似石墨烯的层状结构。这项研究揭示了氢气通过分子缔合在强压缩下聚合的物理过程。这项工作不仅解决了氢高压变化中长期悬而未决的结构纠纷，而且为金属氢研究提供了晶体学标准。其技术路线(如纳米探针XRD)有望扩展到其他轻元素(如氦、氮)的高压研究，促进量子材料与能源科学(如可控核聚变)在极端环境下的交叉发展。重新诠释氢金属化路径，可加快探索室温超导等颠覆性技术的进程。以“相关结果”Ultrahigh-pressure crystallographic passage towards metallic hydrogen“问题发表在Nature杂志上。

这项研究的主要创新点是：

世界上第一次实现超高压(>2000 GPa）捕捉单晶氢的X射线衍射数据，打破传统微米级光束限制，引入极端高压研究同步辐射纳米探针技术。开发UB矩阵分析方法，解决了超晶细胞微弱衍射峰识别问题，为复杂晶体结构分析提供了新的工具。

提出并验证了氢第IV相的混合片层超晶胞结构(P6)ˉ2cP6ˉ2c)弥补了理论预测和实验观测的空白。发现H₂三聚体（H₆）类石墨烯层，为氢分子在高压下的聚集行为提供了证据。

挑战传统的金属氢形成机制(例如维格纳的体心立方解离模型)，提出“分子聚集”→金属化的新进化路径强调高压变化中分子间相互作用的核心作用。为了了解金属氢的潜在奇特性(如超导和超流)，提供了结构演变的关键线索。

4.通过同步辐射技术、路径积分模拟与晶体学分析的深度融合，建立超高压试验-理论协同研究范式，为极端环境下的轻元素材料研究建立新的规范。

MAX是世界上第四代同步辐射光源 IV(左上，来源：Johan Persson）以及氢在超高压下的单晶衍射数据(右上角，由论文原图1f改编)、氢IV相的晶体结构示意图(左下角)和路径积分子动力模拟(右下角)。以下两张图片改编自原图3a和3b。图片来源于：高科，重磅Nature！│超高压晶体技术突破揭示氢的金属化路径

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