氫的金屬化問題一直以來是高壓科學研究的焦點，它描述了氫在壓力作用下由絕緣體到金屬的電子相變過程。對氫的電子結構和帶隙的測量是理解氫金屬化過程的重要環節，然而，長期以來由於氫的高能量帶隙限制，以及壓機對弱訊號干擾等技術限制，一直以來都未能實現對寬禁帶氫的電子結構及帶隙的直接測量。

近日，由北京高壓科學研究中心主任毛河光院士領導的科研團隊與國內外科研院校的科學家們通力合作，經過多年探索和潛心研究，首次實現了利用同步輻射非彈性X射線散射技術對高壓下寬禁帶氫的帶隙及電子結構的直接測量。相關成果以“Probing electronic bandgap of solid hydrogen by inelastic x-ray Scattering up to 90GPa”為題發表於《物理評論快報》。

能帶論可以很好地解釋和區分絕緣體、半導體、以及導體（金屬），導帶與價帶之間的能量之差稱為帶隙，用來判定物質的導電性，比如，通常金屬具有閉合帶隙，是良好導體。氫的高壓金屬化可以描述為帶隙逐步被壓縮，從寬禁帶絕緣體最終轉變成閉合帶隙金屬的電子相變過程。常壓條件下，人們通常使用光學吸收光譜來研究物質的電子結構，然而在高壓下，由於探測光必須透過金剛石壓砧，其金剛石自身帶隙就限制了深紫外及更高能量範圍光子的探測。另外電阻測量也常被用來判斷氫的帶隙閉合情況，然而電阻測量僅適用於半導體和金屬的定性分析，對於寬頻隙絕緣態氫的電子結構和帶隙是無法測量的。

“以往對氫的高能量帶隙的測量都是間接性的，其帶隙的獲得建立在理論模型為基礎的推演上，並假設金剛石介質折射率是已知的，然而金剛石在高壓下折射率的變化並不明確，尤其在超高壓下會更加難以預測。”該工作的第一作者李冰研究員解釋到。“基於同步輻射非彈性X射線散射光譜（IXS）技術的發展，為氫的帶隙測量帶來了新的契機。”

同步輻射非彈性X射線散射技術利用高能量的同步輻射X光可以測量以往無法觸及的廣泛的紫外甚至更高能量範圍的電子結構資訊。這種技術透過測量樣品的非彈性散射能量損失譜而直接獲得聯合電子態密度及帶隙資訊。

然而，由於氫的X射線散射能力極弱，獲得低噪聲高信背比的非彈性X射線散射譜面臨著巨大的技術挑戰。經過多次嘗試與技術攻堅，最終該團隊使用了一種多毛細管X射線聚焦鏡技術獲得了氫的高質量非彈性散射光譜。他們直接觀測到了高壓下氫的聯合電子態密度和帶隙伴隨壓力的演變—從零壓到90萬大氣壓，氫的電子帶隙從10.9 eV線性減小到6.57 eV。

“這是首次對氫高能電子帶隙的直接測量，”毛河光院士評價到。“我們用了5年的時間進行這項艱鉅的研究，為了尋找合適的實驗方案，往往需要來自各個技術領域的支援，比如高壓同步輻射技術、非彈性X射線衍射技術、超高壓實驗技術等，缺少其中任何一個環節都會影響最終結果的獲得，因此這項工作可以說是各種實驗技術突破的結果”。

圖左：上海同步輻射（SSRF）和美國先進光子源（APS）同步輻射裝置照片。其中的插圖顯示為高壓非彈性X射線散射（IXS）實驗照片；圖右：高壓下氫的IXS光譜，插圖顯示帶隙伴隨壓縮（隨密度）變窄。

“我們的研究開闢了高壓下對氫的電子結構研究的新途徑，”李冰研究員補充說。未來，利用亞微米同步輻射探針將使實驗擴充套件到更高的壓力範圍，直接和定量地研究氫的其它高壓相的電子結構及帶隙以及氫的金屬化問題。”

論文連結：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.036402