繼氫鍵之后，國人再次首獲分子氫晶體學信息

　　據預測，氫分子具有奇異的物理特性和兩組分（電子和質子）超導超流體冷凝物的拓撲結構。因此，了解這種轉變仍然是凝聚態物理學中的重要目標。但是，由于在極端條件下進行X射線和中子衍射測量涉及相當大的技術挑戰，因此對于大多數高壓相，缺乏提供有關壓縮狀態下氫金屬化的關鍵信息。

　　最近，北京高壓科學研究中心毛河光團隊在Nature在線發表題為”Ultrahigh-pressure isostructural electronic transitions in hydrogen“的研究論文，固態氫在高達254GPa的壓力下進行了單晶X射線衍射研究，揭示了從I相到III相和IV相的轉變的晶體學性質。總之，通過克服一系列障礙，室溫下H2的SXRD研究壓力范圍翻了一番，達到254 GPa，涵蓋了I，III和IV相。 SXRD數據表明，H2中的這些高壓轉變不是由hcp結構的主要晶體學變化引起的，并且除了c / a比嚴重變形（各向異性增加）以外，其余均保持同構。隨著下一代同步加速器納米探針的問世，該工作為在更高壓力-溫度范圍內使用直接SXRD研究探索氫的相圖提供了機會。

　　最后，英國劍橋大學Bartomeu Monserrat等人在Nature在線發表題為"X-rays glimpse solid hydrogen’s structure"的點評文章，系統盤點了該研究成果，指出在未來幾年中，實驗可能會集中在更高的壓力上。 但是，對于X射線技術研究元素變成原子和金屬的壓力將是一個挑戰。 研究宇宙中最輕和最豐富的元素的激動人心的時代即將來臨。

　　在過去的40年中，已報告了分子氫的七個高壓固相-即，相I，II，II'（氘），III，IV，IV'和V—所有這些都是基于光學變化，例如拉曼光譜及紅外光譜中的峰展寬，峰分裂和強度變化。第三和第四階段顯示出最大的光譜變化，是實驗研究和理論解釋的重點。

　　在室溫下，I相在5 GPa至190 GPa范圍內是穩定的，自由旋轉的氫分子形成hcp晶體結構，這是通過單晶X射線衍射（SXRD）確定的。II相是低溫（<130 K）相，其拉曼和紅外光子發生微小變化，顯示出hcp晶格上氫分子的量子取向順序。III相出現在150 GPa以上（低溫），在拉曼光譜，紅外振動子和旋轉子中主要發生移動，分裂和強化，這被解釋為經典取向氫分子的有序化，晶體結構保持接近hcp。

　　與階段I，II和III的單一振動模式相比，在室溫同時壓強高于220 GPa的條件下發現的階段IV表現出兩種不同的振動模式，其壓力相關性變寬，并且第一振動子出現陡峭的頻率下降。從理論上講，對于相IV，提出了具有新穎的交替分子層和類石墨烯層的基本結構變化。在室溫下同時在較高的壓力下，據報告相IV'（270 GPa）和相V（325 GPa）相較于相IV在拉曼光譜中有相對細微的改變，它們的結構略有改變。自發現氫以來，關鍵階段IV的直接晶體學信息一直是氫研究的重點，但尚未發表成功的結果。

　　金剛石砧盒（DAC）與同步加速器X射線衍射（XRD）結合使用是確定100 GPa以上氫的晶體結構的唯一可行方法。在高達200 GPa的壓力下對氫氣應用XRD提出了許多艱巨的挑戰。 X射線散射能力與原子序數的平方成正比。原子數為1時，氫具有最低的散射能力，由于其極高的可壓縮性，XRD峰移動到較小的d間距以及極強的德拜-華勒效應（Debye-Waller effect），氫在高壓下會進一步減小。許多研究超高壓氫的實驗小組一直在努力將氫XRD推至更高的壓力，但障礙是巨大的。在過去十年中進行的數百次實驗以破碎的鉆石結束，而沒有可發布的結構信息。

　　對于該研究，固態氫在高達254GPa的壓力下進行了單晶X射線衍射研究，揭示了從I相到III相和IV相的轉變的晶體學性質。在壓縮下，氫分子保留在六方密堆積（hcp）晶格結構中，伴隨各向異性的單調增加。此外，進入階段IV時，晶胞體積的壓力依賴性減小表現出斜率變化，表明是二階等構相轉變。結果表明，外來兩組分原子氫的前體可能由高度扭曲的hcp布里淵區和分子對稱性斷裂引起的電子躍遷組成。

　　總之，通過克服一系列障礙，室溫下H2的SXRD研究壓力范圍翻了一番，達到254 GPa，涵蓋了I，III和IV期。SXRD數據表明，H2中的這些高壓轉變不是由hcp結構的主要晶體學變化引起的，并且除了c / a比嚴重變形（各向異性增加）以外，其余均保持同構。隨著下一代同步加速器納米探針的問世，該工作為在更高壓力-溫度范圍內使用直接SXRD研究探索氫的相圖提供了機會。