从冬日的漫天飞雪到夏日的潺潺流水，大自然向我们生动地展示了冰雪熔化的全过程，然而我们对于这一身边熟悉得不能再熟悉的物理过程却谈不上彻底理解。根据普通物理的基本常识，熔化，或者更一般的固-液相变，是一阶的（即非连续的），然而很少人去追究它为什么是这样。事实上没有任何的理论可以严格证明三维空间中的固-液转变必须是一阶的，虽然许多人基于熔化必然伴随着长程序的消失，因此认为它必须是“突变”的，但事实远非如此简单。

图1 经典近似下高密度氢中“有规则”的原子流动

在他1882年的论文中，现代物理学巨擘普朗克曾尝试预测冰与水间可能的临界点。随后，物理学家林德曼在1910年对连续熔化也有过深刻的思考，通过将原子振动与晶格占位的无序化过程联系起来，他提出了著名的林德曼熔化机制，在其中熔化并不一定必须是一阶的，有可能存在连续的熔化。然而通常情况下固体和液体具有决然不同的物理性质：固体具有固定形状，可以抗拒外加应力的变形，而液体具有流动性，因而没有特定形状（其形状随容器改变而变化）。而且，处于单晶形态的固定具有各向异性，而液体一般是各向同性的。这些性质上的差异使得固-液相变成为凝聚态物质中物理性质变化最剧烈的相转变之一，如何使二者和谐交融、实现连续熔化是一个物理上难以想象的图像。实验物理学家多年以来一直不断地压缩物质，将固-液相边界往高温高压延展，以期望能发现熔化的临界点，这也正是当初布里奇曼开高压研究之先河的动机之一。然而除了发现一系列的固体新相外，并没有发现期望中的固-液相界终点。

最近，利用先进的计算模拟技术，科研人员发现高密度氢具有一种“同一物质既参与流体运动又参与形成固体晶格”的神奇的固-液中间态，更为奇妙的是这一中间态不需要借助量子的非局域性质而得以存在。导致这一发现的最初线索是他们发现先前计算的高密度氢的熔化线事实上并不对应于固体到均匀各向同性液体的熔化。类似于液晶或玻璃态，氢在这一压力状态下事实上存在两个转变温度，第一个转变温度是从固体到一个具有流动性的各向异性结构的相变，第二个则对应于从该新相到各向同性液体的熔化。他们最初将这一新相假定为玻璃态或无定性态，但随之发现这与很强的原子流动性相矛盾，深入研究后发现它同时具有固体和液体的特征，但又完全不同于我们所熟知的液晶，这是一种全新的物质形态，他们将之命名为流动固体。

这一研究工作生动地展示了液体的流动性和晶体在位形空间中的长程有序性是如何和谐共处的，并奠定了寻找熔化临界点（即一阶熔化曲线的终点，同时也是连续熔化的起始点）的物理基础。事实上，该研究还进一步展示了从流动固体向各向同性液体的“熔化”并不是突变的，而是其固体特征逐步消散退化，缓慢过渡的，具有典型的连续“熔化”特征。这一结构中的固-液共存特性还暗示当其中的氢原子进入量子状态后它有可能变为超固体，因为高密度氢的流体分量曾被预测有超流体转变。这一超固体机制显然不同于Andreev和Lifshitz提出的4He中玻色缺陷子非局域化后导致的宏观量子效应。因此新发现凸显了搜寻高密度氢的量子液态以及极端压缩条件下可能的奇异超固体相和连续熔化现象的重要性。

全文链接：Hua Y. Geng（耿华运）, Q. Wu, and Y. Sun, Prediction of a Mobile Solid State in Dense Hydrogen under High Pressures, J. Phys. Chem. Lett. 8, 223 (2017).