氫元素是宇宙中含量最多的元素，並且它也是元素週期表中第一種元素，隸屬於第一主族。

在高中化學中，我們知道第一主族是鹼金屬，比如鋰鈉鉀銣銫鍅等，都是非常活潑的金屬，可位於第一主族第一位的氫元素卻有點格格不入，因為它表現出的是非金屬性質。

但科學家認為氫作為第一主族的元素，應該有可能具有金屬的性質。

早在1935年，理論物理學家尤金·維格納（Eugene Paul Wigner）就曾作出預測，隨著壓力的增加（大約要達到地球表面大氣壓的400萬倍），固態氫將會呈現出導體的性質，這也意味著此時的氫可以導電。

隨著這一預測的提出，世界各地的科學家都試圖來尋找金屬氫，但要創造如此高的壓強來驗證理論是極其困難的。

經歷了半個多世紀，科學家雖然依舊沒有窺見金屬氫的真容，但法國、美國和德國的許多科研團隊在壓縮氫、以及探測氫在高壓下特性等方面已取得了長足的進展。

金屬氫的首次出現

直到2017年1月，來自哈佛大學自然科學系教授伊薩克·席爾瓦拉（Issac Silvera）和他的博士後研究員蘭加·迪亞茲（Ranga Dias）宣佈他們發現了這個星球上最有價值的材料：金屬氫。

相關論文發表於1月26日出版的《科學》雜誌上。

而為了得到這種極其稀有的材料，尋常的方法肯定是做不到的，因此科學家發明了一種金剛石壓砧（Diamond Anvil Cell，簡稱DAC）的方法。

簡單來說，壓強是物體所受壓力與受力面積之比，當我們施加的壓力達到極限的時候，可以通過減少受力面積來增大壓強。

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席爾瓦拉和迪亞茲正是運用了金剛石壓砧，在超低的溫度下，他們將一小塊氫樣本放在了金剛石的砧面（金剛石的尖端，直徑大約為50微米），並設定了紅外光測量氫的反射率，來判斷它是否金屬化。通過不斷施加外力，兩顆金剛石之間的壓強最終達到了495Gpa。

在如此高的壓強下，他們驚喜的發現原本黑色的固態氫逐漸變得具有金屬光澤，樣品的反射率也從黑色變為高反射率，這正是金屬具有的特性。

樣品氫在不同壓強下的狀態：透明態、不透明態和金屬態

不過這一研究發表後，也有科學家提出了質疑，認為他們發現的金屬光澤或許不是來自於金屬氫，也有可能是來自於氧化鋁，因為實驗之前席爾瓦拉團隊在金剛石表面鍍上了一層氧化鋁以防止氫擴散到金剛石晶體結構中。

面對這些質疑，最好的反擊方式當然是實驗資料，因此席爾瓦拉團隊準備繼續觀察金屬氫的更多特性，可當他們用低功率鐳射器測量壓力的時候，卻傳出了一聲微弱的“咔嗒聲”，這是其中一塊金剛石沒有承受住如此高的壓強而碎成了粉塵，這也意味著唯一一塊金屬氫樣本隨之消失了。

金屬氫的再次出現

時隔兩年之後，由法國原子能委員會Paul Loubeyre領導的研究小組宣佈他們幾乎發現了金屬氫的存在。

歐洲同步加速器實驗室

這項研究最早出現在arXiv物理預印本上面，六個月之後，該研究正式發表在最新的《自然》期刊上。

與哈佛大學席爾瓦拉團隊類似， Loubeyre和他的團隊也是採用“金剛石壓砧”的方法，只不過他們進行了改進，設計了一種新的金剛石壓砧，稱為“環形金剛石壓砧”，這種金剛石的尖端設計可以承受更高的壓強，免得像之前一樣，金剛石扛不住過高的壓強而粉碎。

通過實驗，Loubeyre發現了氫樣本在不同壓強下對光的反射率。

當壓強為1Gpa時，樣品氫對於可見光和紅外光都是透明的；

當壓強升高至300Gpa時，樣品氫變成固態，可見光已經不可穿過，只有能量比可見光更低的紅外光可以穿透固態氫。

隨著壓強增加到425Gpa時，固態氫的反射率急劇增大，這時候，可見光與紅外光都不可穿透，這也意味著此時的固態氫可以阻擋所有的光，已經變的不再透明。

而研究人員認為，固態氫在極端壓強和低溫下呈現出的光學反射率不連續且可逆的變化，正是固態氫變成金屬氫的一個有力證據。

只不過這還不能作為金屬氫出現的“實錘證據”，實際上，研究人員也沒有斷言他們觀測到的就是金屬氫，就像他們論文標題所指出的，他們發現的是“固態氫可能過渡到金屬氫”的證據。

現在來說，如果真要證明金屬氫的存在，其實只需在高壓低溫下對氫樣本的導電性進行測試，如果氫樣本可以展現出高水平的導電性，那麼基本上就可以證明金屬氫的存在。

然而，要給這種狀態下的氫樣本做導電測量是一件很難完成的事，因為這意味著金剛石的尖端需要連上微型電極，並將電極與少量的固態氫接觸，目前來說，很難做到如此精確的連線。

雖然Loubeyre的實驗還無法給出“我們已經創造了金屬氫”這樣結論性的科學宣告，但該領域的科學家普遍認為這一實驗結果幾乎是證明金屬氫產生的決定性證據。

或許現在，金屬氫還只能存在於金剛石壓砧中，但再過個十年乃至二十年，金屬氫將在太陽的照耀下熠熠生光。

參考資料：

https://www.nature.com/articles/d41586-020-00149-7

https://gizmodo.com/80-year-quest-to-create-metallic-hydrogen-may-finally-b-1835815725

https://gizmodo.com/after-an-80-year-quest-scientists-have-almost-certainl-1841332239

https://science.sciencemag.org/content/355/6326/715