03.06 固態金屬氫是什麼?

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金屬氫最初是由理論物理學家Eugene Wigner和Hillard Bell Huntington於1935年提出的。金屬氫是氫的一個高壓相,當氫元素在高壓下形成固體時,它的行為表現為一個良導體,因此叫做金屬氫。

金屬氫之所以很火,就是因為物理學家理論預言說它可能是室溫超導體。1968年,Neil Ashcroft首次預言金屬氫的超導轉變溫度可能達到290K,即17攝氏度,遠遠高於目前已知的任何超導材料。有一點知識背景的人應該知道,如果能實現常壓下的室溫超導,那對於人類來說將是一個偉大的變革,將極大地推動人類文明的進程。

2016年10月,有人聲稱在實驗室中壓力為495千兆帕(495萬個大氣壓)的極端條件下觀察到了金屬氫。2017年1月,哈佛大學的研究組發表了他們的研究成果,首次在實驗室中利用金剛石對頂的方式產生高壓,製造出了金屬氫。但遺憾的是,由於操作不當,還未來得及研究它的電學性質,金屬氫的狀態就被破壞了。

圖1. 像木星(上圖)和土星這樣的天然氣巨頭可能含有大量的金屬氫(用灰色表示)和金屬氦

目前已知的“超”物質狀態有超導體、超流體和超固體。物理學家Egor Babaev預言,如果氫和氘具有液態金屬態,那麼它們有可能是量子有序態,在通常意義上不能被歸為超導或超流體,而有可能是兩種新的量子流體:超導超流體和金屬超流體。 Egor Babaev預言這些流體將對外部磁場和旋轉產生某種不平凡的效應,這為實驗上證實他的預言提供了手段。還有人提出,在磁場的影響下,金屬氫可能會表現出從超導到潮流的轉變或者相反。

關於金屬氫的性質有大量的工作可以做。但是最大的難點就是如何在人類能達到的高壓條件下製備出金屬氫,如果能實驗成功穩定可重複的製備,那無疑也是一個巨大的突破。


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答:金屬氫(metallic hydrogen)是氫在特殊情況下,形成的類似金屬性質的導體,被譽為高壓物理的“聖盃”。


上世紀四十年代,科學家從理論上推算,任何絕緣體在一定壓力下都能變成導體,導電的氫就稱之為“金屬氫”。




然後科學界進行了一系列的實驗,使得很多絕緣體在高壓下變成了導體,但是始終沒有實現氫轉變為導體。

在進一步的理論研究中,科學家推斷金屬氫可能具有室溫超導體的特性,於是激起了各國對金屬氫的研發熱情。


上世紀末,蘇、美、日等國,均宣佈在實驗室得到了金屬氫,其壓力高達上百萬大氣壓,但是一旦失去壓力,金屬氫就消失,使得該金屬氫沒有實用價值。

而且他們判斷得到金屬氫的依據是,在高壓下,氫的電阻急劇下降(從10^8數量級下降到10^2數量級),所以並沒有得到科學界的公認。




真正第一次得到看得見的金屬氫,是2016年末,哈佛大學的研究人員,利用金剛石對頂砧(金剛石對頂砧是高壓技術中的重要實驗工具,將材料放在兩個金剛石對頂砧中間,會產生很高的壓力),在488萬個大氣壓的超高壓力下,得到了真正意義上的金屬氫樣本。



該金屬氫樣品,在顯微鏡下閃閃發亮,猶如金屬一般的光澤,並於2017年1月將該成果發表在《科學》雜誌上,年末還被評為2017年十大科技成果之一。


可惜的是,在2017年2月,因為研究人員的操作失誤,導致地球上唯一的一塊金屬氫樣本消失。



另外,科學家猜測,木星內部存在大量的金屬氫。

金屬氫不僅僅在超導體上有所應用,利用金屬氫的特性,還能製作成等離子體磁籠,使的核聚變穩定反應。

而且金屬氫本身也是清潔能源,儲能能力是TNT的40多倍,比目前最好的航空燃料還高200倍,而且超輕的質量,是一切非核能燃料的最佳選擇。


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固態氫,也就是金屬氫。

這個固態有點特殊,他是在對頂金剛石壓腔中,超高壓下行成的新的阻止態,是氫元素的一種同素異構體。

這個壓力有多大,大概是350GP a,這麼大的壓力下,把氫原子,重新組合壓縮到一起的。

歷史上是出現過金屬氫的,在美國實驗室,因為人員操作失誤,金屬氫搞沒了,因為他不能在常溫長壓下存在。金屬氫的能力量比TNT能力更大,約是TNT的30倍。

金屬氫的獲得,也是物理學高基態或凝固物理學的重要提現,同樣也開通了獲得新組織的另一個方法和手段。高溫高壓是一種方法,另一個就是,超高壓物理學。很多組織在超高壓下,會形成,新相。

金屬氫,彙報到此為止!


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