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固体所两科研团队在《科学》发表评述文章
对哈佛大学金属氢的研究发现提出不同意见
文章来源: 王媛、姜树清 发布时间: 2017-08-25

   2017年初,轰动科学界的一个标志性事件莫过于美国哈佛大学研究人员在著名学术期刊《科学》上发文声称在高压下发现了金属氢,似乎捧得了高压物理的圣杯。然而,最新一期《科学》杂志前后登载的中科院合肥研究院固体物理研究所两科研团队领衔的评述文章(Science 357, eaan2286 (2017),Science 357, eaam9736 (2017)),否定了哈佛大学的这一发现。评论指出,在相同的实验条件下,固体所两组科研团队都没有获得氢金属化的证据。

  来自固体所极端环境量子物质中心的两位外专千人尤金•格列戈良茨(Eugene Gregoryanz)和亚历山大•冈察洛夫(Alexander Goncharov)领导的团队各自用充足的实验事实和比较研究认为,哈佛大学研究人员文章中的压力标定、金属化证据和所揭示的金属氢特征等均经不起推敲,难以自圆其说;固体所科研人员利用同样的实验条件和压力标定方法所校准的实际压力只是达哈佛大学科研人员声称压力的一半,并且在此压力下,前人所得出的实验结果都没有发现氢金属相的存在,哈佛大学得到的金属性证据可能来自承载样品的金属垫片。

  关于超高压的实现和测量一直是超高压实验中并存的两个关键问题,尤金•格列戈良茨研究员带领的团队在过去5年里进行了上百次超高压实验,有30次做到了300万倍标准大气压力(300 GPa)以上。这些经验表明,使用与哈佛大学相同尺寸台面的金刚石压力装置最多能达到300万倍附近的标准大气压力极限,这个结论也和其他氢研究小组的结果一致,而不可能像哈佛大学所表明的那样,获得了接近500万倍标准大气压力的数值。在北京刚刚召开的国际高压会议上,与会各位专家也就压力标定问题开展了专题讨论,与大家普遍认可的压力标定方法相比较,哈佛大学所采用的压力标定的方法和数值均不可靠。

  尤金•格列戈良茨认为,“氢的金属化问题从来就没有真正解决,仍需要等待将来完成”。虽然哈佛大学研究人员展示了样品具有强烈反射的金属光泽作为其“金属化”的重要证据之一,但是尤金•格列戈良茨与其合作者通过仔细对比研究发现,哈佛大学的工作可能在之前较低的压力下就已经失去了氢样品,随着压力的增加,样品腔会不断缩小,而氢样品也会不断扩散至金刚石和封载样品的金属垫片中,这一事实导致哈佛大学未能提供氢存在的谱学证据,也使得他们展现出来的样品金属光泽跟周围的垫片光泽没有区别。

  另一组来自同一中心的论文第一作者和通讯作者亚历山大•冈察洛夫指出,“我们对氢在高压下金属化深信不疑,但并不意味着所有声称在更高极限压力下实现氢金属化的报道都值得信赖”。实际上,在过去近二十年的时间里,包括美国华盛顿卡内基研究院地球物理实验室、哈佛大学和德国马克斯普朗克化学所等单位声称合成“金属氢”的报道已有6次之多。亚历山大•冈察洛夫与合作者重新检验比较了哈佛大学研究人员声称的金属化的反射率数据后认为,该光学特征结果并不是来自于氢样品本身,“由于哈佛大学研究者未能提供氢从气态连续演化到原子金属态的详细过程和路径,因而他们的观察结果与氢性质的转化没有必然联系”。

  氢位于周期表中的第一位,这个最简单的元素,却在高压下展示出极为复杂的物理相图。80年前,固态分子氢被预言在高压下分解成类似于碱金属的单原子金属,即“金属氢”。这种金属形式有可能是高温或室温超导体,一旦发现将会有划时代的意义。近年来高压技术不断发展,高压下氢的研究也取得了突破性进展,这其中最具分量的工作当属于高压下氢第四和第五相的发现。第四相的发现是尤金•格列戈良茨和亚历山大•冈察洛夫共同完成的,而第五相是尤金•格列戈良茨被以“外专千人计划”身份引进中国后发现的,相关文章于2016年1月发表在著名学术期刊《自然》(Nature 529, 63 (2016))上。国际上广泛认可的高压、低温区域的相边界和三相共存点的工作是由亚历山大•冈察洛夫研究员得到的。今年八月份,尤金•格列戈良茨研究员领导的团队又与合作者一起对氢与其同位素氘的前三相相图进行了修正,并发现了氘的一个新相,相关研究结果发表在了著名的物理学期刊《物理评论快报》(Physical Review Letters 119, 065301 (2017))上。

  这两篇发表在《科学》上的论文均来自于固体所量子中心的两个研究团队,相关研究成果不断刷新固体所在高压氢研究方面的记录,也使这个新成立的量子中心一跃成为国际高压氢研究的重镇。目前该中心已成功搭建起了可以进行高压氢样品装载的充气系统、高压低温和高压高温光谱测量系统、电磁输运性质测量系统、超快光谱在高温高压和低温高压下的测量系统等,为开展“金属氢”的研究提供了坚实的条件保障。

  该两项研究得到了中组部外专千人计划、国家外国专家局、国家自然科学基金委员会、中国科学院率先行动计划、中国科学院合肥物质科学研究院项目支持。

   

  图1. 亚历山大•冈察洛夫(左二)和尤金•格列戈良茨(右二)正与量子中心青年研究人员一起讨论高压实验数据。 

  论文链接:

  1. http://science.sciencemag.org/content/357/6353/eaan2286 

  2. http://science.sciencemag.org/content/357/6353/eaam9736 

 

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