超高压晶体学路径探索金属氢：hcp H?向六倍超胞后 hcp 结构转变的研究

分子氢（H?）在兆巴级高压下的结构演化及其与原子金属氢的关联是凝聚态物理关键未解难题。研究通过纳米聚焦同步辐射 X 射线探测，发现 H?在超 212 GPa 压力下从六方密堆积（hcp）结构转变为六倍超胞后 hcp 结构，揭示分子聚合趋势，为理解金属氢分子 - 原子转变提供线索。

　　

分子氢（H?）在兆巴级高压下的结构演化及其与原子金属氢的关系是凝聚态物理中尚未解决的关键问题。尽管理论已提出数十种晶体结构，但此前实验仅证实简单六方密堆积（hcp）结构，其为仅含球形无序 H?的结构。本研究通过改进纳米聚焦同步辐射 X 射线探测技术，观察到在压力超过 212 GPa 时，hcp H?转变为超胞体积大六倍的后 hcp 结构，表明球形 H?向多种有序构型转变。基于 X 射线衍射（XRD）结果的理论计算发现，在空间群 P^-62c 中存在一种时间平均结构模型，该模型具有球形无序 H?的交替层和由三个 H?分子结合形成的 H?三聚体（H?）组成的新类石墨烯层。这种超胞结构此前未有理论研究报道过，但与许多具有混合层结构的理论模型接近。hcp 之外结构转变的证据确立了 H?分子在极端压力下趋向聚合的趋势，为金属氢的分子到原子转变的性质提供了线索。考虑到光谱行为显示 H?的强振动和弯曲峰直至 400 GPa，推测氢分子聚合可能持续至其金属化是谨慎的。