近期，中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所量子中心研究团队利用拉曼-红外-宽带吸收综合集成系统对氢开展了系列研究，揭示了氢相IV新特性，相关研究成果以“Intermolecular coupling and fluxional behavior of hydrogen in phase IV”为题发表在美国科学院院刊PNAS (P. Natl. Acad. Sci. USA, DOI: org/10.1073/pnas.1916385116)上。

量子中心研究人员利用设计的T型金刚石对顶砧，实现了280 GPa的极端压力，对氢金属化过程中重要的中间相IV开展研究，并利用综合的原位光学测量手段，揭示了在相IV中氢由分子态向原子态金属氢转变的独特物理特性-原子流动性，这一物理机制对人们认识金属氢具有重要意义。

澄清氢在不同压力下的相结构及其结构转变路径是探索实现金属氢的重要基础。在室温下，氢在220 GPa相变为一个新相IV，在此相中一个新的氢分子特征峰出现，表征氢分子具有区别于以往结构的不同构象。理论模拟预测在此相中，三个氢分子形成类石墨的六元环，由于氢分子之间增大的耦合作用使得相IV具有了分子-原子混合态的物性。这对通过压致氢分子解离实现金属氢这一路径具有重要意义，然而尚需实验的验证。

在本工作中，研究人员利用拉曼-红外-宽带吸收综合光学测量系统对氢的相IV展开研究。原位拉曼和红外光谱测量结果表明在类石墨六元环中，氢分子之间具有强烈的耦合作用，这种作用随压力增加迅速增强；在近邻原子之间，由于质子交换带来了氢原子的流动性，这种流动性提高了电子的共享和转移，使得六元环中的分子行为更趋近于原子，因此带来了更好的电学性质并促进了氢金属化的进程。相IV中氢原子的这些动态行为使其具有分子-原子的混合特性，随着压力进一步增加，270 GPa以上时相V出现，此相被认为是金属氢的前驱相。

本工作得到国家自然科学基金面上项目、国家重大仪器研制项目、科学挑战计划等项目支持。

文章链接：https://www.pnas.org/content/early/2019/12/02/1916385116

                 图.相IV中三个氢分子构成的类石墨六元环以及孤立的氢分子结构。