金屬氫是高壓科學中的一個焦點問題，它與室溫超導和高效能源息息相關(guān)，其相關(guān)研究備受科學界的關(guān)注。近日，由北京高壓科學研究中心（簡稱高科）的毛河光院士、吉誠研究員團隊與來自國內(nèi)外諸多科研院校的科學家合作，在全球領(lǐng)先的科研設(shè)備平臺上針對金屬氫的研究，開發(fā)出了基于同步輻射納米X射線束的先進超高壓晶體學技術(shù)。他們通過對氫高壓相的晶體結(jié)構(gòu)的測量提供了氫在金屬化的路徑上發(fā)生聚合的實驗證據(jù)，為理解氫的金屬化提供了新的思路，亦為直接測量金屬氫的晶體結(jié)構(gòu)提供了可靠的實驗手段。

相關(guān)成果以“Ultrahigh-pressure crystallographic passage towards metallic hydrogen”為題發(fā)表于《自然》，是繼2019年該團隊于《自然》雜志發(fā)表氫的晶體學實驗測量的再次突破。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-025-08936-w

作為元素周期表的第一號元素，氫是一個神奇的元素。它在宇宙形成初始就存在并且在宇宙中含量最豐富，它具有最簡單的原子結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)，對它的研究也推動了量子力學的發(fā)展。氫通常情況下以我們熟知的氣體形式存在，然而在高壓下，氫會結(jié)晶成不同結(jié)構(gòu)的固體。在超過地心壓力（三百六十萬個大氣壓）的條件下，理論預測氫將變成神奇的金屬：既是具有室溫超導特性的新穎凝聚態(tài)，又可以是極端含能的材料和氫聚變的理想原料。然而，放眼全球，金屬氫的合成和實驗表征仍是世界性的科學難題。因此，金屬氫被譽為高壓物理的圣杯，也是世界頂尖高壓科學團隊爭相攻克的目標。

吉誠研究員帶領(lǐng)高科中心及上海前瞻物質(zhì)科學研究院的研究團隊與上海光源、德國電子同步加速器研究所（DESY）、瑞典隆德大學的MAX IV同步輻射光源、及美國先進光子源等多個同步輻射大科學裝置的科學家合作，開發(fā)了超高壓同步輻射X射線納米單晶衍射技術(shù)，最終獲取了氫在兩百萬大氣壓以上的高壓相的單晶衍射數(shù)據(jù)，揭示了氫從簡單的六方密堆積結(jié)構(gòu)向具有聚合形態(tài)的氫的高壓結(jié)構(gòu)的變化過程，在氫進入第IV相之后，晶胞擴大了6倍，且結(jié)構(gòu)對稱性降低。

“這項工作的實驗部分是個艱巨的技術(shù)攻堅，我們從2013年開始做這個項目，用了第一個6年突破了采集微弱信號的屏障，又花了6年時間實現(xiàn)對氫的復雜晶體結(jié)構(gòu)的校驗。這些實驗突破固然離不開我們的堅持，更離不開國內(nèi)外優(yōu)秀的同步輻射團隊的緊密合作與支持。”吉誠研究員說到。

全球首個第四代同步輻射光源MAX IV（左，來源：Johan Persson）及氫在超高壓下的單晶衍射數(shù)據(jù)（右，由論文原圖1f改編）

為了更深入地理解實驗所觀測到的晶體結(jié)構(gòu)的變化，吉林大學馬琰銘院士（新任浙江大學校長）團隊的劉寒雨教授主持了對結(jié)構(gòu)模型的計算，通過采用先進的計算方法，最終確定了在高壓下氫由原本六方密堆積的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N混合層狀結(jié)構(gòu)，其中的一層氫具有類石墨烯的結(jié)構(gòu)，氫分子由于分子間間距的減小出現(xiàn)某種程度的聚合。“這是一項非常重要的研究，對于進一步理解氫的高壓結(jié)構(gòu)以及對未來理論和實驗協(xié)作探索金屬氫的本質(zhì)都具有重要的指導意義。”劉寒雨教授表示。

氫IV相的晶體結(jié)構(gòu)示意圖（左）及對該結(jié)構(gòu)的路徑積分分子動力學模擬（右）。由論文原圖3a和3b改編。

利用晶體學方法直接證明氫在高壓下形成聚合形態(tài)，對于理解氫的金屬化有十分重要的意義。金屬氫最早被諾貝爾物理學獎得主尤金·維格納預測，基于當時的科學認識，金屬氫被認為將形成一種類似于堿金屬的體心立方結(jié)構(gòu)。隨著理論計算水平的不斷提升，現(xiàn)代的計算結(jié)果揭示了更加復雜結(jié)構(gòu)的可能性，并預測金屬氫甚至可能是一種超導、超流的新的凝聚態(tài)。而目前發(fā)現(xiàn)氫分子在高壓下發(fā)生聚合的事實預示著氫的金屬化過程很可能并非一個解離的過程，而是氫分子在分子間相互作用不斷增強的情況下逐步聚合的物理過程。最終，金屬氫的奇異物性將被其獨特的晶體結(jié)構(gòu)決定，目前發(fā)展的實驗和理論方法將有望在未來揭開金屬氫晶體結(jié)構(gòu)的神秘面紗。

“晶體結(jié)構(gòu)測量在氫的金屬化研究當中一直被認為是一項不可能完成的任務(wù)。我從上世紀80年代在美國開啟這個課題，近40年的時間一方面在持續(xù)推進該研究，另一方面也見證了大科學裝置的發(fā)展對于氫的晶體學研究的巨大推動。現(xiàn)在適逢中國大力發(fā)展最新一代同步輻射光源，借此時機沖擊金屬氫的研究并解決金屬氫晶體結(jié)構(gòu)的國際性難題，是留給中國科學家難得的歷史機遇。”毛河光院士說。

該工作得到了國家自然科學基金項目12074014, U2230401, 52288102, 52090024 T2495233，科技部重點研發(fā)計劃2023YFA1608902及 2022YFA1402301，以及上海市極端環(huán)境新材料重點實驗室（22dz2260800），上海市科學技術(shù)委員會（22JC1410300）等項目的支持。