金属氢研究新进展
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
前沿进展
金属氢研究新进展*
陈 良 辰
( 中国科学院物理研究所 北京 100080 )
摘 要 简要介绍了金属 氢的研究意义 和应用 前景, 详细 评述 了有 关的高 压实 验方法 和最 近的研 究成 果及 进 展, 特别是固体氢的相图、结构和 相变. 近 十多年 来, 随着超 高压 技术 的发展, 已 能在金 刚石 对顶 砧( DAC) 上产 生 300GPa 的静态压力, 并可进行高压原位实验研究. 对固体氢进行了高压拉曼、同步辐射 X 射线、光反射和吸 收、同 步 辐射红外 光谱等一系列高压物性和相变研究. 从而确定了固体 氢的三个相, 并提出了可能的相结构. 关键词 高压, 金属氢, 相图
1988 年, 毛河光等在高压拉曼实验中发现氢在 150GPa 、 77K 下发生 Vibron 不连续变化相变, 其频 率下降 100cm- 1, 如图 5 所示. 此后, 人们围绕这 个 相变进行了各种理论探讨和实验研究, 这里着重介 绍毛河光等和 Silvera 等的两个研究小组有关工作和 机理 探 讨. 最 初认 为, 这 个相 变 是低 压 下已 存 在 的无序- 有序相变的延伸, 但根据氢的同位素氘的
* 2003- 06- 20 收到初稿, 2003- 12- 02 修回 E-mail: chenlc@ aphy. iphy. ac. cn
# 261 #
前沿进展
内部处於极高压状态, 氢以金属态存在. 因此, 研究 金属氢的性质, 对于了解和解释这些物质的内部结 构和强磁现象是很重要的. 此外, 金属氢还是室温超 导体, 它的高密度使它成为核聚变的高效燃料, 因此 具有广阔的应用前景. 无疑, 氢的金属化研究具有重 要和深远意义.
图 1 金刚石对顶砧高压容器 ( a) 活塞、圆筒驱动系统; ( b) 压砧、封垫、样品室
早期研究金属氢的高压实验方法分动态和静态
两类. 动态方法有冲击波法、等熵压缩法等, 它们的 特点是压力高, 很容易到百万大气压以上, 但是作用 时间短. 1972 年, 苏联的 º´ÀÂζ³ 等采用等熵压缩 法[ 6] , 发现在 280GPa 和 720K 下, 氢的密度随压力曲 线存在拐点, 认为氢变为金属氢. 1978 年, Hawke 等 采 用 磁 压 缩 方 法 使 液 氢 在 200GPa 时 密 度 达 到 1106g/ cm3, 变成导电的金属 氢[ 7] . 早期的静态方 法 是由苏联的 ¶Â¶Ë±´º¿ 等人于 1975 年用金刚石 尖 顶型容器进行的实验[ 8] , 发现在 4. 2K 和 100GPa 下 电阻率有几个数量级的下降, 认为发生金属转变. 自 从 1978 年美国的毛河光和 Bell 在金刚石对顶砧容 器( DAC) 中使压力达到 172GPa 后[ 9] , 并率先进行百 万大气压下的物性研究, 金属氢的研究在实验技术 上有 了 突 破. DAC 技 术 的 特 点 是 不 仅 产 生 高 达 300GPa 的压力, 而且由于金刚石窗口可透过高能 X 射线、 C射线( 能量> 10keV, 即波长< 0. 125nm) 和 低能紫外线、可见光、红外线( 能量< 5eV, 即波长 > 250nm) , 因此通过它 可以进行光吸收 和反射、拉 曼和布里渊散射、X 射线和中子衍射等各种物性测
Recent studies on metallic hydrogen
CHEN Liang- Chen
( Institute of Physics, Chinese100080 , China)
Abstract Studies on metallic hydrogen and its applications are presented. The experimental methods at high pressure and recent progress in investigations on solid hydrogen are reviewed in detail, with emphasis on its phase diagram, phase structures and phase transit ions. In the last decade, with the development of high- pressure techniques, it is now possible to generate static pressures of 300GPa in diamond anvil cell ( DAC) and to carry out experiments in situ at high pressure. A series of techniques, including Raman scattering, synchrotron radiation X- ray diffract ion, optical absorption and reflection and synchrotron infrared spectroscopy, have been used to study the physical properties and phase transitions of solid hydrogen at high pressure. Thus, three phases of solid hydrogen have been determined and their possible structures proposed. Key words high pressure, metallic hydrogen, phase diagram
高压力可以改变物质中原子、电子结构及相互 作用, 是改变物性, 产生新现象和合成新物质的重要 条件和手段. 近十多年来, 随着超高压技术的发展, 已能在金刚石对顶砧( DAC) 上产生 250 ) 300GPa 的 静态压力, 并可进行高压原位物理研究. 1988 年, 美 国卡内基研究所地球物理实验室毛河光等人观察到 氢在 150GPa 、 77K 时发生 分子内伸缩振动 的 V-i bron 频率不连续变化的相变[ 3] . 一年后, 哈佛大学的 Silvera 小组证实了它[ 4] . 1989 年, 毛河光小组把压力 提高 到 250GPa [,5]证明氢仍 是分子态, 在 250GPa 以 上, 发现氢样品变黑, 成为不透明, 认为有可能氢分 子拆键成为原子氢. 不过, 这些有待於实验的进一步 证实. 随后, 围绕着氢的 150GPa 的相变, 进行了 许 多相变机制的理论探讨和实验研究. 从此, 开始了氢 的金属化相变的最新系列研究和进展.
氢有三种同位素: H1 ( 氢) 、 H2( 氘) 和 H3 ( 氚) ,
物理
前沿进展
图 2 固氢的振动激发: 振子、旋子和声子
通常的氢是氢和氘的混合物. 近几年, 对氢和氘的相 图已有了深入的研究和结果[ 10) 15] . 从相图来看, 氢 和氘相似( 见图 3) , 它们都有三个相: Ñ 相, 绝缘 量 子分子相, hcp 结构, 具有球对称性, 旋转无序, 无红 外活性; Ò相, 低温对称破缺相, 分子角动量有序, 特 殊 hcp 结构( 见图 4) [;16Ó] 相, / 分子金属相0, 取向有 序, 特殊 hcp 结 构. 三 相 交 於 三 相点 ( 153GPa 、 120K) . 最近毛河光 小组认为, 氘的三 相点( 167GPa 、 129K) 以上, 还有两个临界点, 分别为 168GPa 、 166K 和 182GPa 、 235K. 氢的相图及各相的物性正 待继续深入研究, 三个相的结构也有待於进一步确 定. 从相图可以看到, 分子固体氢有三类相变: ¥ 分 子取向有序相变; ¦ 分子相内由于能带重叠转变为 分子金属氢, 其转变压力约为 150 ) 300GPa; § 分子 拆 键 成 为 原 子 相 金 属 氢, 转 变 压 力 约 为 300 ) 500GPa.
如上所述, 正氢是各向异性的, 实验上发现在常 压和 2. 8K 下, 它将发生取向有序变化. 而仲氢是球 对称的, 但在压力下基态波函数发生各向异性畸变, 它将发生取向有序相变, 称为对称破缺相变. Lorenzana 等发现氢 在 110GPa 和 8K 下发生 对称破缺 相 变[ 17, 18] .
固体氢的双原子分子结构中, 存在振动和电子 的两种激发. 振动激发包括分子内伸缩振动( 振子) 、转动( 旋子) 及晶格振动( 声子) , 如图 2 所示. 拉曼 光谱是用来探测这些激发的重要手段, 可以测量这 些激发频率随压力的变化. 近年来发展的同步辐射 红外振动光谱, 也已成为探测分子间相互作用的有 力工具. 而紫外到红外的光吸收和光反射光谱, 则可 以用来探测电子的转变.
1 引言
氢是周期表的第一号元素, 由一个质子和一个 电子组成. 在室温常压下, 氢是分子气体. 当温度降 到 20K 时, 气体氢变为液体, 其密度为 0. 071 g/ cm3, 到 14K 时, 成为固体氢. 固体氢是分子晶体, 属于六 角晶系, 其晶格常 数为 a = 0. 376nm, c = 01613nm, 密度 为 0. 089 g/ cm3. 在 室 温下, 加压 到 514GPa ( 1GPa= 104atm) 时, 氢将变为固氢[ 1] . 所以, 压力、温 度都是决定氢的状态、相变和物性的重要条件. 由 于氢是周期表中的 ÑA 族元素, 因此它应该是最简 单的金属. 1935 年, Wigner 和 Huntington 从理论上证 明[ 2] , 金属氢作为氢的金属相是可能存在的, 而且在
2 高压方法和 DAC 技术
量和相变研究[ 10] . DAC 装置如图 1 所示, 两个对顶 金刚石压砧和中心带有样品空腔的封垫组成了高压 容器. 压力由红宝石荧光 R 线随压力的移动进行标 定, 或采用一些已知状态方程的元素内标进行标定. 压力越高, 样品体积越小, 检测难度就越大. 近年来, 探测技术已大大进步, 一方面是强力的辐射源, 如激 光、同步辐射的发展. 另一方面多道探测器技术的 进展, 如能散 X 射线探测器、电荷耦合多道探测器、 傅里叶变换红外干涉仪等, 大大提高了超高压下极 小样品研究中的测量灵敏度.
33 卷 ( 2004 年) 4 期
图 3 ( a) 氢的相图; ( b) 氘的相图
近几年图已有了深入的研究和结果1015绝缘量子分子相hcp结构具有球对称性旋转无序低温对称破缺相分子角动量有序hcp结构153gpa167gpa还有两个临界点分别为168gpa182gpa氢的相图及各相的物性正待继续深入研究三个相的结构也有待于进一步确从相图可以看到分子固体氢有三类相变分子相内由于能带重叠转变为分子金属氢其转变压力约为150300gpa500gpa如上所述正氢是各向异性的实验上发现在常而仲氢是球对称的但在压力下基态波函数发生各向异性畸变它将发生取向有序相变称为对称破缺相变loren2zana110gpa分子角动量有序的特殊hcp结构19vibron频率不连续实验1989排除了取向有序化的解释因为在较重同位素d2旋转常数小一半按理相变压力更低但事实是d2的相变压力190gpa因此vibron频率不序化机制加以说明
# 262 #
3 固体氢的结构和相变
在低压下, 氢是双原子分子固体, 分子内由强的 共价键结合在一起, 分子间由弱的范德瓦耳斯力结 合在一起. 它有着大的能带隙, 是绝缘体. 氢具有转 动自由度, 根据转动量子数( J ) 的奇偶分为两类, 偶 数( J = 0) 为仲氢( p- H2) , 形状是球对称的, 奇数( J = 1) 为正氢( o- H2) , 是各向异性的. 在低温下, 氢分 子都是仲氢; 在室温以上, 氢气中 75% 是仲氢, 25% 为正氢, 这种氢称为正常氢( n- H2) .
33 卷 ( 2004 年) 4 期
高压下固氢可以变为金属氢. 此后, 金属氢的理论和 实验研究继续不断, 获得金属氢成为物理学家尤其 是从事高压物理研究工作者的梦想.
金属氢的问题, 在理论上涉及状态方程、能带 结构、晶格动力学、结构和电子转变、相稳定性、 超导性等一系列凝 聚态物理中重要的基 础理论研 究. 在实验技术上则涉及 DAC 超高压技术、同步辐 射 X 射线、激光技术、拉曼光谱 、光吸收和光反 射等一系列最新实验技术在超高压物理研究中的应 用. 同时, 金属氢本身还有令人感兴趣的理论意义 和实际应用. 在天体中, 氢又是最丰富的元素, 在太 阳、木星、土星里, 氢是主要成分. 在这些星体里,
金属氢研究新进展*
陈 良 辰
( 中国科学院物理研究所 北京 100080 )
摘 要 简要介绍了金属 氢的研究意义 和应用 前景, 详细 评述 了有 关的高 压实 验方法 和最 近的研 究成 果及 进 展, 特别是固体氢的相图、结构和 相变. 近 十多年 来, 随着超 高压 技术 的发展, 已 能在金 刚石 对顶 砧( DAC) 上产 生 300GPa 的静态压力, 并可进行高压原位实验研究. 对固体氢进行了高压拉曼、同步辐射 X 射线、光反射和吸 收、同 步 辐射红外 光谱等一系列高压物性和相变研究. 从而确定了固体 氢的三个相, 并提出了可能的相结构. 关键词 高压, 金属氢, 相图
1988 年, 毛河光等在高压拉曼实验中发现氢在 150GPa 、 77K 下发生 Vibron 不连续变化相变, 其频 率下降 100cm- 1, 如图 5 所示. 此后, 人们围绕这 个 相变进行了各种理论探讨和实验研究, 这里着重介 绍毛河光等和 Silvera 等的两个研究小组有关工作和 机理 探 讨. 最 初认 为, 这 个相 变 是低 压 下已 存 在 的无序- 有序相变的延伸, 但根据氢的同位素氘的
* 2003- 06- 20 收到初稿, 2003- 12- 02 修回 E-mail: chenlc@ aphy. iphy. ac. cn
# 261 #
前沿进展
内部处於极高压状态, 氢以金属态存在. 因此, 研究 金属氢的性质, 对于了解和解释这些物质的内部结 构和强磁现象是很重要的. 此外, 金属氢还是室温超 导体, 它的高密度使它成为核聚变的高效燃料, 因此 具有广阔的应用前景. 无疑, 氢的金属化研究具有重 要和深远意义.
图 1 金刚石对顶砧高压容器 ( a) 活塞、圆筒驱动系统; ( b) 压砧、封垫、样品室
早期研究金属氢的高压实验方法分动态和静态
两类. 动态方法有冲击波法、等熵压缩法等, 它们的 特点是压力高, 很容易到百万大气压以上, 但是作用 时间短. 1972 年, 苏联的 º´ÀÂζ³ 等采用等熵压缩 法[ 6] , 发现在 280GPa 和 720K 下, 氢的密度随压力曲 线存在拐点, 认为氢变为金属氢. 1978 年, Hawke 等 采 用 磁 压 缩 方 法 使 液 氢 在 200GPa 时 密 度 达 到 1106g/ cm3, 变成导电的金属 氢[ 7] . 早期的静态方 法 是由苏联的 ¶Â¶Ë±´º¿ 等人于 1975 年用金刚石 尖 顶型容器进行的实验[ 8] , 发现在 4. 2K 和 100GPa 下 电阻率有几个数量级的下降, 认为发生金属转变. 自 从 1978 年美国的毛河光和 Bell 在金刚石对顶砧容 器( DAC) 中使压力达到 172GPa 后[ 9] , 并率先进行百 万大气压下的物性研究, 金属氢的研究在实验技术 上有 了 突 破. DAC 技 术 的 特 点 是 不 仅 产 生 高 达 300GPa 的压力, 而且由于金刚石窗口可透过高能 X 射线、 C射线( 能量> 10keV, 即波长< 0. 125nm) 和 低能紫外线、可见光、红外线( 能量< 5eV, 即波长 > 250nm) , 因此通过它 可以进行光吸收 和反射、拉 曼和布里渊散射、X 射线和中子衍射等各种物性测
Recent studies on metallic hydrogen
CHEN Liang- Chen
( Institute of Physics, Chinese100080 , China)
Abstract Studies on metallic hydrogen and its applications are presented. The experimental methods at high pressure and recent progress in investigations on solid hydrogen are reviewed in detail, with emphasis on its phase diagram, phase structures and phase transit ions. In the last decade, with the development of high- pressure techniques, it is now possible to generate static pressures of 300GPa in diamond anvil cell ( DAC) and to carry out experiments in situ at high pressure. A series of techniques, including Raman scattering, synchrotron radiation X- ray diffract ion, optical absorption and reflection and synchrotron infrared spectroscopy, have been used to study the physical properties and phase transitions of solid hydrogen at high pressure. Thus, three phases of solid hydrogen have been determined and their possible structures proposed. Key words high pressure, metallic hydrogen, phase diagram
高压力可以改变物质中原子、电子结构及相互 作用, 是改变物性, 产生新现象和合成新物质的重要 条件和手段. 近十多年来, 随着超高压技术的发展, 已能在金刚石对顶砧( DAC) 上产生 250 ) 300GPa 的 静态压力, 并可进行高压原位物理研究. 1988 年, 美 国卡内基研究所地球物理实验室毛河光等人观察到 氢在 150GPa 、 77K 时发生 分子内伸缩振动 的 V-i bron 频率不连续变化的相变[ 3] . 一年后, 哈佛大学的 Silvera 小组证实了它[ 4] . 1989 年, 毛河光小组把压力 提高 到 250GPa [,5]证明氢仍 是分子态, 在 250GPa 以 上, 发现氢样品变黑, 成为不透明, 认为有可能氢分 子拆键成为原子氢. 不过, 这些有待於实验的进一步 证实. 随后, 围绕着氢的 150GPa 的相变, 进行了 许 多相变机制的理论探讨和实验研究. 从此, 开始了氢 的金属化相变的最新系列研究和进展.
氢有三种同位素: H1 ( 氢) 、 H2( 氘) 和 H3 ( 氚) ,
物理
前沿进展
图 2 固氢的振动激发: 振子、旋子和声子
通常的氢是氢和氘的混合物. 近几年, 对氢和氘的相 图已有了深入的研究和结果[ 10) 15] . 从相图来看, 氢 和氘相似( 见图 3) , 它们都有三个相: Ñ 相, 绝缘 量 子分子相, hcp 结构, 具有球对称性, 旋转无序, 无红 外活性; Ò相, 低温对称破缺相, 分子角动量有序, 特 殊 hcp 结构( 见图 4) [;16Ó] 相, / 分子金属相0, 取向有 序, 特殊 hcp 结 构. 三 相 交 於 三 相点 ( 153GPa 、 120K) . 最近毛河光 小组认为, 氘的三 相点( 167GPa 、 129K) 以上, 还有两个临界点, 分别为 168GPa 、 166K 和 182GPa 、 235K. 氢的相图及各相的物性正 待继续深入研究, 三个相的结构也有待於进一步确 定. 从相图可以看到, 分子固体氢有三类相变: ¥ 分 子取向有序相变; ¦ 分子相内由于能带重叠转变为 分子金属氢, 其转变压力约为 150 ) 300GPa; § 分子 拆 键 成 为 原 子 相 金 属 氢, 转 变 压 力 约 为 300 ) 500GPa.
如上所述, 正氢是各向异性的, 实验上发现在常 压和 2. 8K 下, 它将发生取向有序变化. 而仲氢是球 对称的, 但在压力下基态波函数发生各向异性畸变, 它将发生取向有序相变, 称为对称破缺相变. Lorenzana 等发现氢 在 110GPa 和 8K 下发生 对称破缺 相 变[ 17, 18] .
固体氢的双原子分子结构中, 存在振动和电子 的两种激发. 振动激发包括分子内伸缩振动( 振子) 、转动( 旋子) 及晶格振动( 声子) , 如图 2 所示. 拉曼 光谱是用来探测这些激发的重要手段, 可以测量这 些激发频率随压力的变化. 近年来发展的同步辐射 红外振动光谱, 也已成为探测分子间相互作用的有 力工具. 而紫外到红外的光吸收和光反射光谱, 则可 以用来探测电子的转变.
1 引言
氢是周期表的第一号元素, 由一个质子和一个 电子组成. 在室温常压下, 氢是分子气体. 当温度降 到 20K 时, 气体氢变为液体, 其密度为 0. 071 g/ cm3, 到 14K 时, 成为固体氢. 固体氢是分子晶体, 属于六 角晶系, 其晶格常 数为 a = 0. 376nm, c = 01613nm, 密度 为 0. 089 g/ cm3. 在 室 温下, 加压 到 514GPa ( 1GPa= 104atm) 时, 氢将变为固氢[ 1] . 所以, 压力、温 度都是决定氢的状态、相变和物性的重要条件. 由 于氢是周期表中的 ÑA 族元素, 因此它应该是最简 单的金属. 1935 年, Wigner 和 Huntington 从理论上证 明[ 2] , 金属氢作为氢的金属相是可能存在的, 而且在
2 高压方法和 DAC 技术
量和相变研究[ 10] . DAC 装置如图 1 所示, 两个对顶 金刚石压砧和中心带有样品空腔的封垫组成了高压 容器. 压力由红宝石荧光 R 线随压力的移动进行标 定, 或采用一些已知状态方程的元素内标进行标定. 压力越高, 样品体积越小, 检测难度就越大. 近年来, 探测技术已大大进步, 一方面是强力的辐射源, 如激 光、同步辐射的发展. 另一方面多道探测器技术的 进展, 如能散 X 射线探测器、电荷耦合多道探测器、 傅里叶变换红外干涉仪等, 大大提高了超高压下极 小样品研究中的测量灵敏度.
33 卷 ( 2004 年) 4 期
图 3 ( a) 氢的相图; ( b) 氘的相图
近几年图已有了深入的研究和结果1015绝缘量子分子相hcp结构具有球对称性旋转无序低温对称破缺相分子角动量有序hcp结构153gpa167gpa还有两个临界点分别为168gpa182gpa氢的相图及各相的物性正待继续深入研究三个相的结构也有待于进一步确从相图可以看到分子固体氢有三类相变分子相内由于能带重叠转变为分子金属氢其转变压力约为150300gpa500gpa如上所述正氢是各向异性的实验上发现在常而仲氢是球对称的但在压力下基态波函数发生各向异性畸变它将发生取向有序相变称为对称破缺相变loren2zana110gpa分子角动量有序的特殊hcp结构19vibron频率不连续实验1989排除了取向有序化的解释因为在较重同位素d2旋转常数小一半按理相变压力更低但事实是d2的相变压力190gpa因此vibron频率不序化机制加以说明
# 262 #
3 固体氢的结构和相变
在低压下, 氢是双原子分子固体, 分子内由强的 共价键结合在一起, 分子间由弱的范德瓦耳斯力结 合在一起. 它有着大的能带隙, 是绝缘体. 氢具有转 动自由度, 根据转动量子数( J ) 的奇偶分为两类, 偶 数( J = 0) 为仲氢( p- H2) , 形状是球对称的, 奇数( J = 1) 为正氢( o- H2) , 是各向异性的. 在低温下, 氢分 子都是仲氢; 在室温以上, 氢气中 75% 是仲氢, 25% 为正氢, 这种氢称为正常氢( n- H2) .
33 卷 ( 2004 年) 4 期
高压下固氢可以变为金属氢. 此后, 金属氢的理论和 实验研究继续不断, 获得金属氢成为物理学家尤其 是从事高压物理研究工作者的梦想.
金属氢的问题, 在理论上涉及状态方程、能带 结构、晶格动力学、结构和电子转变、相稳定性、 超导性等一系列凝 聚态物理中重要的基 础理论研 究. 在实验技术上则涉及 DAC 超高压技术、同步辐 射 X 射线、激光技术、拉曼光谱 、光吸收和光反 射等一系列最新实验技术在超高压物理研究中的应 用. 同时, 金属氢本身还有令人感兴趣的理论意义 和实际应用. 在天体中, 氢又是最丰富的元素, 在太 阳、木星、土星里, 氢是主要成分. 在这些星体里,