几十年来，物理学家和材料科学家一直在尝试将氢金属化，但尚未成功。1968年，英国物理学家尼尔阿什克罗夫特预测原子金属氢将是一种高温半导体。

大多数最近的研究还表明，当氢的温度超过沸水的温度时，这种难以捉摸的假设形式的氢也可以无电阻地导电。这一预测最终为发现氢化物(即含有氢和金属的化合物)的高温超导性铺平了道路。

罗马第一大学、索邦大学、CNRS和国际高级研究学院(SISSA)的研究人员最近开展了一项研究，旨在彻底表征氢在高压下的行为和特性。他们发表在《自然物理学》(NaturePhysics)上的论文概述了一个高度精确的高压氢相图，这可以为正在进行的旨在创造原子金属氢的努力提供信息。

“世界上最先进的实验室正试图通过将氢分子压缩到比大气压力高数百万倍的金刚石砧室中来合成稳定的原子金属氢，”进行这项研究的研究人员之一洛伦佐·莫纳切利(LorenzoMonacelli)告诉Phys.org。“然而，H2共价键是化学中最强的共价键之一，将氢核推近到足以破坏分子键所需的压力远高于预期。”我们的工作合理化了最新的实验发现，并报告了最准确的高压氢气相图的测定。"

可靠地研究氢在高压下的行为和特性是一项具有挑战性的任务，因为难以进行必要的实验，而标准模拟工具通常会产生不可靠的结果。Monacelli和他的同事使用先进的计算工具创建了氢和氘在低温和高压下的相图。

“在如此高的压力下，许多不同的分子相是稳定的，”参与这项研究的另一位研究员MicheleCasula解释道。“尽管基本砖很简单，仅由一个质子和一个电子构成，但相图却如此复杂，这既矛盾又令人着迷。从某种意义上说，这是菲尔·安德森(PhillAnderson)著名座右铭的一个特别重要的例子：‘更多的是不同的。'”

固体氢完全由相互作用的自由电子和质子组成。尝试模拟氢时的一个关键挑战是这两种粒子的量子行为会产生复杂的相互作用。

“电子和质子的量子行为是不同的，因为每个质子的重量约为电子的2,000倍，”Casula说。“在我们的工作中，我们采用了解决电子问题的‘最佳’方法(即量子蒙特卡罗模拟)和解决质子量子效应的最佳方法，即随机自洽谐波近似。”

使用这些最先进的计算技术，研究人员能够创建迄今为止最准确的高压氢相图之一。具体来说，他们表明，在分子氢从一个金属相(称为III相)转变为另一个氢为金属相和仍然是分子态(VI相)。

“我们的工作提供的这种材料在超高压下的综合表征表明，原子相应该是室温超导体，必须在比以前建议的压力高得多的压力下进行实验搜索，”Casula解释说。“此外，我们的研究允许对最近的实验结果进行明显矛盾的解释，因为研究人员可以在如此高的压力下间接探测晶体结构。”

这组研究人员计算出的新高压氢相图表明，随着压力升高，氢开始逐渐获得金属特性。它还说明了为什么以前的实验可能未能成功获得原子金属氢，即因为实验中测试的压力不够高。

在他们的论文中，Monacelli、Casula和他们的同事还对氢进行了完整而详尽的光谱表征。连同他们创建的相图，这种表征可以为未来旨在观察原子金属相中的氢的研究工作提供信息。

Monacelli补充说：“值得注意的是，我们预测过渡压力会发生明确的同位素转变，最近才进行测量和确认。”“我们现在专注于研究氢在高压下的超导特性。这个问题令人兴奋并提出了严峻的挑战，因为目前基于晶格振动(声子)和电子之间相互作用的超导理论遗漏了氢中存在的一些关键方面和氢化物。”

Monacelli和Casula指出，当前的超导理论没有考虑声子的强非谐传播、声子和电子之间的非线性耦合以及电子和快核之间的动态相互作用(即“绝热”近似)。他们与同事合作，旨在设计一种新理论，共同考虑所有这些现象。此外，研究人员现在正计划使用他们最近研究中使用的相同计算工具来创建其他超导氢化物的详细特征。