近一个世纪后，哈佛大学的科学家们让曾经的理论变成了现实——他们创造出了地球上最稀有、最有价值的材料:金属氢！

这种物质是由哈佛大学自然科学系教授Issac Silvera和他的博士后研究员Ranga Dias发现的。除了在帮助科学家回答关于物质本质的基本问题方面的实际应用外，金属氢在理论上还有广泛的势函数，比如它作为室温超导体的用途。

哈佛大学自然科学教授艾萨克·西尔维拉(Isaac Silvera)

“这是高压物理学的圣杯，”在描述他的发现时说。“这是地球上第一个金属氢样本。这也意味着，当你看到这个标本时，你看到的是世界上从未存在过的东西!”

为了得到金属氢，席尔瓦和迪亚兹经历了一段艰难的时光，因为氢在高压下很难得到。他们将一个微小的固体氢样本置于495吉帕斯卡(约488万大气压)的高压下，这甚至比地球中心的压力还要高。

在这种极端的外部压力下，氢分子的化学键会被打开，最终形成由氢的最小单位组成的结晶氢，即具有金属性质的金属氢。

钻石对铁砧施加的压力甚至比地心施加的压力还要大

这项工作不仅为了解氢的一般性质提供了一个重要的新窗口，而且为研究这种潜在的革命性新材料提供了一种前所未有的方法。

“关于金属氢的许多预测中，最重要的一个是材料将是‘亚稳态’的，这意味着材料本身不是处于平衡状态，而是保持相对稳定，”Silva说。

亚稳态金属氢(MSMH)在金属氢的应用中起着至关重要的作用。亚稳金属氢的一个重要性质是，当压力被消除时，它不会立即恢复到正常的氢。

做一个不恰当的类比，这有点类似于在高温高压下使用石墨制备金刚石。当恢复到室温和压力时，金刚石将保持金刚石的状态，而不会变回石墨。

石墨与金刚石

确定材料是否稳定仍然是一个重要的问题，Silva说。因为先前的预测表明，金属氢在室温(约17摄氏度)下可能是超导体。

“这将是革命性的，”西尔维拉教授补充说。“在The Buzz电网中，高达15%的能量会在传输点损失，所以如果你能用这种材料制作一根电缆，并把它放入电网，它将完全扭转这种情况。”

迪亚兹说，室温超导体绝对是物理学的圣杯。它可以彻底改变我们的交通系统，使磁悬浮高速列车成为可能。它还可以提高电动汽车的效率，并改善许多电子设备的性能。

金属氢也可以彻底改变能量的产生和储存——因为超导体是零电阻的，能量可以通过超导线圈中的电流储存起来，然后在需要时使用。

在足够的压力下，透明的氢分子变成黑色氢半导体，然后变成金属氢原子

金属氢不仅有可能彻底改变地球上的生命，而且作为世界上已知的最强大的火箭推进剂，它还将帮助人类探索遥远的太空。

“制备金属氢需要消耗大量的能源。所以如果你把它重新转化为氢分子，你就会释放所有的能量，这将使金属氢成为人类已知的最强大的火箭推进剂，并彻底改变太空。”

衡量火箭燃烧燃料效率的一个指标是“比冲量”，即推进剂从火箭尾部喷射出来的速度，以秒为单位。目前，最强大的液体推进器比冲量为450秒，而金属氢的理论冲量为1700秒。

席尔瓦说:“这将使探索外行星变得更容易。”金属氢很重要，因为它将把发射阶段从两个减少到一个。与此同时，我们能够将更大的有效载荷送入轨道。”

此外，为了满足创造新材料所要求的苛刻条件，Silva和Diaz选择了地球上最坚硬的材料之一:钻石。

但他们使用的钻石不是天然钻石，而是两颗精心打磨的人造钻石。这两颗钻石在使用前经过特殊处理，使它们更坚固。然后，两颗钻石相对地安装在一个钻石砧上。

图中的上下两颗金刚石对顶砧压缩氢分子，在压力足够的条件下，样本转化为右图的氢原子。

“我们用金刚石粉抛光了钻石的表面，但它会破坏表面的结构，剥离碳原子。当我们用原子力显微镜观察金刚石表面时，我们发现了一些缺陷。这些缺陷会削弱材料，并可能导致材料断裂。”

他说，为了解决这个问题，他们使用了一种称为活性离子蚀刻的工艺，刮出一层只有5微米厚的薄层，直径只有人类头发的十分之一。然后，他们在钻石上涂上一层薄薄的氧化铝层，以防止氢扩散到晶体结构中，导致材料脆化。

经过40多年的研究，席尔瓦承认第一次看到它很激动。这距离金属氢的首次理论发现已经过去了将近一个世纪!

博士后研究员兰加·迪亚斯(Ranga Dias)介绍了这一发现所使用的实验设备

“这真的很令人兴奋，”他说。当时，研究小组正在做实验，每个人都认为我们很有可能实现这个目标。然后他们打电话给我说，‘样品很亮!’我跑过去一看，原来是金属氢!”西尔瓦纳教授兴奋地回忆道。“我马上说，我们必须做测量确认，所以我们随后重新安排了实验室......这就是我们所做的。”

“这是一项无与伦比的成就，即使金属氢只能在这种类型的钻石砧中找到，这也是一项革命性的发现。”