漩涡状的致密金属氢在木星、土星和许多太阳系外行星的内部占据着主导地位。要建立这些巨型行星的精确模型，就需要准确描述被加压的氢是如何向这种金属物质转变的——这是一项长期的科学挑战。
在8月17日发表于《科学》杂志的论文中，美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）的科学家们领导的一个研究小组描述了液态氢中绝缘体-金属转变的光学测量，从而解决了先前实验中的差异并为用于构建行星模型的计算建立了新的基准。
数十年的研究表明，高温与高压结合可以逐渐将致密的液态氢转化为导电流体。令人惊讶的是，计算机模拟表明，当温度低于2000K时，增加压力可能会引发绝缘体到金属的突然转变。因为各种理论模型和数值技术实验提供了迥然不同的预测，所以到底需要多少压力是不确定的。
LLNL的物理学家、论文的主要作者彼得·西利尔斯说：“我们面临的挑战是，设计一个实验，以便动态地将液态氢样品压缩到几百万个大气压，并用足够缓和的方式（无强烈冲击）来开展这个实验以使液态氢样品保持冷却；或者使压力低于2000K，进而确定哪一个理论模型是正确的。我们进行了可以提供金属化转变的清晰特征的一系列实验，并从数据中识别出了压力—温度空间在什么条件下会发生转变。结果清楚地表明，哪些模型是正确的，哪些模型是不正确的，哪些模型是接近的。”
科学家在世界上最大、最具能量的激光器——美国国家点火设施（NIF）上进行了一系列的五个实验。首先，研究人员通过将温度降至21 K（零下422华氏度）浓缩了一层薄薄的低温液体氘（氢的重同位素），之后使用NIF的168个激光束产生了一系列反射冲击波，从而将氘流体压缩至600 GPa（600万大气压，几乎是地球中心压力的两倍），同时将温度保持在1000 K至2000 K之间。此时，样品开始变得完全透明，但随着压力的升高，它在转变成光亮的金属之前就开始变得不透明，而这种金属的高光学反射率是其高导电性的标志。光学诊断仪器VISAR记录了样品的反射率和反射光束中的多普勒频移，以确定样品中的压力。
“这就像挤压空气，把它变成光亮的、轻盈的液态水银。”加州大学伯克利分校天文学、地球和行星科学教授雷蒙德·詹洛兹说。
根据西利尔斯的说法，与理论模型相比，最终结果是金属化发生时的压力和温度的一个决定因素。 “通过仔细检查信号，我们在有关样品中了解到了有关折射率和吸收系数的新信息。”LLNL的物理学家、论文的合著者马吕斯·米洛说：“这些结果是真实的实验之作，并且是非常重要的，因为它们对不同的数值模拟提供了一个非常严格的测试，而这些模拟可以用来预测高压下行星成分的性质，这对于模拟木星和土星的内部结构和演化过程是必要的。现在，由于NIF的优异性能和重现性，以及高质量的数据，我们的结果为该领域带来了新的见解，并验证了预测。”
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编译：冰融 审稿：alone 责编：张梦
期刊来源：《科学》
期刊编号：0036-8075
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