近期，中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所量子中心研究團隊利用拉曼-紅外-寬帶吸收綜合集成系統對氫開展了系列研究，揭示了氫相IV新特性，相關研究成果以“Intermolecular coupling and fluxional behavior of hydrogen in phase IV”為題發表在美國科學院院刊PNAS 上。

　　量子中心研究人員利用設計的T型金剛石對頂砧，實現了280 GPa的極端壓力，對氫金屬化過程中重要的中間相IV開展研究，并利用綜合的原位光學測量手段，揭示了在相IV中氫由分子態向原子態金屬氫轉變的獨特物理特性-原子流動性，這一物理機制對人們認識金屬氫具有重要意義。

　　澄清氫在不同壓力下的相結構及其結構轉變路徑是探索實現金屬氫的重要基礎。在室溫下，氫在220 GPa相變為一個新相IV，在此相中一個新的氫分子特征峰出現，表征氫分子具有區別于以往結構的不同構象。理論模擬預測在此相中，三個氫分子形成類石墨的六元環，由于氫分子之間增大的耦合作用使得相IV具有了分子-原子混合態的物性。這對通過壓致氫分子解離實現金屬氫這一路徑具有重要意義，然而尚需實驗的驗證。

　　在本工作中，研究人員利用拉曼-紅外-寬帶吸收綜合光學測量系統對氫的相IV展開研究。原位拉曼和紅外光譜測量結果表明在類石墨六元環中，氫分子之間具有強烈的耦合作用，這種作用隨壓力增加迅速增強；在近鄰原子之間，由于質子交換帶來了氫原子的流動性，這種流動性提高了電子的共享和轉移，使得六元環中的分子行為更趨近于原子，因此帶來了更好的電學性質并促進了氫金屬化的進程。相IV中氫原子的這些動態行為使其具有分子-原子的混合特性，隨著壓力進一步增加，270 GPa以上時相V出現，此相被認為是金屬氫的前驅相。

　　本工作得到國家自然科學基金面上項目、國家重大儀器研制項目等項目支持。

　　文章鏈接：https://www.pnas.org/content/early/2019/12/02/1916385116

相IV中三個氫分子構成的類石墨六元環以及孤立的氫分子結構。