解决钨铼传统封垫干扰,北京高压科学研究中心进一步探索金属氢

制备金属氢是高压物理学的圣杯,近几年不断有研究小组声称合成了金属氢,但是在业内难以得到共识,主要是由于在极端条件下的测量手段匮乏,且测量结果准确性堪忧。日前,北京高压科学研究中心开发的基于同步X射线辐射的微纳聚焦探针能够有效解决这一困难。

金刚石对顶砧:两颗对顶金刚石,可产生高达数百GPA压力

金刚石对顶砧:两颗对顶金刚石,可产生高达数百GPA压力

金属氢是液态或固态氢在上百万大气压的高压下变成的导电体。导电性类似于金属,故称金属氢。金属氢内储藏着巨大的能量,理论预测是室温超导体和超流体,甚至可能是由未知的新物理机制操控的一种新颖的凝聚态。人们认为金属氢的诞生将掀起科学技术领域的又一次革命,能够有效解决能源问题:用金属氢输电,可以取消大型变电站而输电效率在99%以上,可使全世界的发电量增加四分之一以上;用金属氢制造发电机,其重量不到普通发电机重量的10%,而输出功率可以提高几十倍乃至上百倍。

但金属氢的制备及其困难。1935年,诺贝尔物理奖得主尤金.维格纳和物理学家希拉德.亨廷顿预测,氢在25GPa的高压下会变为金属氢。实际上,到目前,人类还未实现静态高压下金属氢的相变,后来的研究认为金属氢相变的压力至少要达到500GPa。

北京高压科学研究中心研究员李冰介绍,金刚石对顶砧压机用两颗顶对顶放置的金刚石相互施压,可以产生约400GPa极限静态压力,这是达到如此高的静态压力的唯一手段。

但在金刚石对顶砧上进行氢结构的同步单晶X射线衍射测量十分困难。除了氢渗入导致数百颗钻石“氢碎”之外,传统使用的钨铼等金属封垫造成的干扰也十分棘手。

金刚石对顶砧:两个钻石中间放液态氢,需要密封垫封装

金刚石对顶砧:两个钻石中间放液态氢,需要密封垫封装

由于氢的X射线散射截面是所有元素中最小的,因此衍射信号很弱,而采用金属铼、钨等做成的传统封垫会形成强烈的干扰,即使运用最新一代同步辐射光源,利用X射线衍射法测量固态氢在百万大气压以上的晶体结构也面临巨大的挑战。因此,曾有国外科学家断言,此类实验是不可能实现的。

为此,研究人员开发了一种用氧化镁或立方氮化硼和环氧树脂制成的复合材料封垫。由于氧化镁或立方氮化硼是X射线衍射强度弱的材料,而环氧树脂是非晶体,这种封垫产生的衍射信号极弱,用其将氢样品封装可以一举两得,既解决“氢碎”的问题,又解决了金属封垫的信号干扰,使捕捉来自氢的微弱X射线衍射信号成为可能。

此外,研究小组通过运用高辉度亚微米聚焦X射线束(300纳米)以及多通道准直器技术,在使用复合封垫的样品中成功采集了从20GPa至250GPa的氢的X射线衍射数据,涵盖了氢的第一、三及第四相。

这是首次在两百二十万个大气压以上实现了对固态氢第四相的晶体结构精确测量。北京高压科学研究中心毛河光院士介绍,此项工作破解了长期困扰高压氢研究中的最基本、最亟需解决的技术难题,将此前法国和美国科学家合作保持的压力纪录提高了一倍,为今后直接测量超高压下固态氢以至金属氢的晶体结构提供了一个切实可行的技术手段。相关成果发表在《自然》上。

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