氢是宇宙中最丰富的元素。我们对天体的认识，依赖于对这种元素在极端温度和极端压力下的性质的了解，譬如太阳的成分约75%是氢[1]。在实验室复制这些条件是非常具有挑战性的，就连低温下氢的高压相结构也是一个悬而未决的问题。吉诚[2]等人在《自然》杂志上发文，报道了在前所未有的压力下探测氢结构的实验，结果揭示了一种六边形紧密排列的分子结构。
氢原子由一个质子和一个电子组成，虽然它很简单，但是氢的高压相却丰富且复杂。氢在常温常压下是一种电绝缘体，但在极端压力下会变成一种金属[3]——譬如这种状态可能帮助生成木星的磁场。此外，理论研究表明，金属氢可能会表现出许多奇异现象，如高温超导[4](零电阻导电)或超流现象[5](零摩擦流体流动)。
在过去的几十年里，通过将压力增加到远高于地心处的压力，人们发现了氢的多个固态相。这些实验都用到了金刚石对顶砧：先将氢样品放入薄箔密封垫中，然后用螺丝将密封垫固定在两个金刚石之间，即可对样品中心施加极端压力。
分析压缩样品的主要方法包括研究组成分子如何吸收红外光(红外光谱仪)，或观察它们如何散射光线(拉曼光谱仪)。这些方法让我们可以洞悉分子的结构。过去的研究已经揭示，随着压力的增加，氢从一种晶状固体(其中所有的分子具有相似的键长)，转变成一种混合相(不同键长的分子共存其中)[6,7]。实验结果与理论模型一致[8]。
检测材料长程有序性的主要技术是X射线衍射，原理是晶体中电子散射的X射线会相互干涉。由此产生的衍射图包含亮点——对应相长干涉;以及暗点——来自相消干涉。许多重要的科学发现，包括DNA的双螺旋结构，都得益于X射线衍射技术。
可惜到目前为止，利用这项技术来研究高压氢，都被证明是太具挑战性了。一个主要的难点是，电子散射X射线的能力随着组成材料的原子的质量的降低而降低。氢是最轻的元素，产生的信号特别微弱。因此，很难区分氢样品中电子散射的X射线和周围由重元素(如钨或铼)制成的密封垫所散射的X射线。另一个挑战是，用于给样品施压的金刚石在暴露于X射线的情况下，容易破裂，导致压力损失。
由于这些困难，氢的X射线衍射研究以前最高只能达到190吉帕斯卡[9](约为标准大气压的190万倍)。这大约只是氢在金刚石对顶砧上所能承受的压力的一半，还不足以研究氢元素最奇异的一些相态，比如混合相。
吉诚和他的同事们巧妙地解决了这些挑战，在长达5年的时间里，利用高达254吉帕斯卡的压力，进行了100多次实验。为了增加氢产生的信号与周围环境的信号的对比，他们用的密封垫是由比钨和铼轻的元素制成。作者还通过特别的实验设计，在钻石不可避免地破裂之前的那段短时间内产生了有用的数据。
研究结果揭示了氢分子在三种高压固相(包括混合相)中的长程结构。在这三种固相中，氢分子呈六角密积结构(图1)，以六角棱镜的形状匀称排列。不仅如此，增加压力会挤压棱柱体，使其变得越来越扁，越来越宽。
图1极端压力下的氢结构。吉诚等人的研究结果[2]表明，氢的三个高压固相中的分子均为六角密积结构。这张图是每个分子中两个不断移动的质子可能位置的快照。它还显示了每个分子中两个电子的电荷密度(从许多快照中取平均值)。
不过，仍有一些问题有待解答。与所有比氦重的元素不同，氢没有紧密结合在原子核上的电子，氢分子中的电子位于分子键中。因此，这些电子对X射线的散射不能用来直接探测原子核在分子中的位置或分子的取向，而是探测分子键的位置。
因此，吉诚等人的X射线研究结果需要与其他实验技术相结合，例如红外光谱和拉曼光谱，也可以包括核磁共振光谱——该技术直到去年方能适用在上文所研究的极端压力下[10]。将这些实验结果与理论模型相结合，将使高压氢相的完整表征成为现实。
在此次X射线研究中所达到的压力对应于电绝缘分子氢。在接下来的几年里，实验的重点可能会放在更高的压力上。然而，对X射线技术来说，在氢元素会转向原子化和金属化的压力下开展研究，将是一个挑战。在此相态下，电子不再处于分子键中;相反，结构中所有原子共享电子，因此不知道相应的X射线衍射图会是什么样子。对宇宙中最轻、最丰富的元素的研究将迎来激动人心的时刻。
参考文献：
1.Lodders, K. Astrophys. J. 591, 1220–1247 (2003).
2.Ji, C. et al. Nature573, 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. Nature431, 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. X9, 031008 (2019).
原文以X-rays glimpse solid hydrogen’s structure为标题发表在2019年9月25日的《自然》新闻与观点版块
