氢的金属化问题一直以来是高压科学研究的焦点，它描述了氢在压力作用下由绝缘体到金属的电子相变过程。对氢的电子结构和带隙的测量是理解氢金属化过程的重要环节，然而，长期以来由于氢的高能量带隙限制，以及压机对弱信号干扰等技术限制，一直以来都未能实现对宽禁带氢的电子结构及带隙的直接测量。
近日，由北京高压科学研究中心主任毛河光院士领导的科研团队与国内外科研院校的科学家们通力合作，经过多年探索和潜心研究，首次实现了利用同步辐射非弹性X射线散射技术对高压下宽禁带氢的带隙及电子结构的直接测量。相关成果以“Probing electronic bandgap of solid hydrogen by inelastic x-ray Scattering up to 90GPa”为题发表于《物理评论快报》。
能带论可以很好地解释和区分绝缘体、半导体、以及导体（金属），导带与价带之间的能量之差称为带隙，用来判定物质的导电性，比如，通常金属具有闭合带隙，是良好导体。氢的高压金属化可以描述为带隙逐步被压缩，从宽禁带绝缘体最终转变成闭合带隙金属的电子相变过程。常压条件下，人们通常使用光学吸收光谱来研究物质的电子结构，然而在高压下，由于探测光必须通过金刚石压砧，其金刚石自身带隙就限制了深紫外及更高能量范围光子的探测。另外电阻测量也常被用来判断氢的带隙闭合情况，然而电阻测量仅适用于半导体和金属的定性分析，对于宽带隙绝缘态氢的电子结构和带隙是无法测量的。
“以往对氢的高能量带隙的测量都是间接性的，其带隙的获得建立在理论模型为基础的推演上，并假设金刚石介质折射率是已知的，然而金刚石在高压下折射率的变化并不明确，尤其在超高压下会更加难以预测。”该工作的第一作者李冰研究员解释到。“基于同步辐射非弹性X射线散射光谱（IXS）技术的发展，为氢的带隙测量带来了新的契机。”
同步辐射非弹性X射线散射技术利用高能量的同步辐射X光可以测量以往无法触及的广泛的紫外甚至更高能量范围的电子结构信息。这种技术通过测量样品的非弹性散射能量损失谱而直接获得联合电子态密度及带隙信息。
然而，由于氢的X射线散射能力极弱，获得低噪声高信背比的非弹性X射线散射谱面临着巨大的技术挑战。经过多次尝试与技术攻坚，最终该团队使用了一种多毛细管X射线聚焦镜技术获得了氢的高质量非弹性散射光谱。他们直接观测到了高压下氢的联合电子态密度和带隙伴随压力的演变—从零压到90万大气压，氢的电子带隙从10.9 eV线性减小到6.57 eV。
“这是首次对氢高能电子带隙的直接测量，”毛河光院士评价到。“我们用了5年的时间进行这项艰巨的研究，为了寻找合适的实验方案，往往需要来自各个技术领域的支持，比如高压同步辐射技术、非弹性X射线衍射技术、超高压实验技术等，缺少其中任何一个环节都会影响最终结果的获得，因此这项工作可以说是各种实验技术突破的结果”。
图左：上海同步辐射（SSRF）和美国先进光子源（APS）同步辐射装置照片。其中的插图显示为高压非弹性X射线散射（IXS）实验照片；图右：高压下氢的IXS光谱，插图显示带隙伴随压缩（随密度）变窄。
“我们的研究开辟了高压下对氢的电子结构研究的新途径，”李冰研究员补充说。未来，利用亚微米同步辐射探针将使实验扩展到更高的压力范围，直接和定量地研究氢的其它高压相的电子结构及带隙以及氢的金属化问题。”
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.036402
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