元素周期表中的元素可以有多种形式。例如，碳根据形成时的环境条件以金刚石或石墨的形式存在。在超高压环境中形成的晶体结构特别重要，因为它们为行星的形成提供了线索。然而，在实验室中重建这样的环境是困难的，材料科学家经常依靠模拟预测来确定这种结构的存在。

在这方面，氢对于分析宇宙中物质的分布和巨型气体行星的行为尤为重要。然而，由于难以进行涉及高压氢的实验，在高压下形成的固态氢的晶体结构仍存在争议。此外，结构模式受控于微妙平衡的因素，包括电子上的电场力和量子力学施加的波动，而对于氢来说，波动特别大，使得对其晶相的预测更加困难。

最近，在《Physical Review B 》上发表的一项合作研究中，由日本高等科学技术学院的 Ryo Maezono 教授和本乡健太副教授组成的全球研究团队巧妙地结合了超级计算机模拟和数据科学，解决了这个问题，揭示了各种氢在接近 0 K 的低温和高压下的晶体结构。

“对于高压下的晶体结构，我们已经能够使用最近的数据科学方法（例如遗传算法等）生成几种候选模式。但是这些候选者是否真的是在高压下存活的相只能通过高压来确定。”Maezono 教授解释说。

因此，该团队使用称为粒子群优化和密度泛函理论 (DFT) 计算的技术，在 400 到 600 吉帕 (GPa) 的高压下寻找可以由 2 到 70 个氢原子形成的各种可能结构，并估计了它们的相对稳定性使用第一性原理量子蒙特卡罗方法和 DFT 零点能量校正。

搜索产生了 10 种以前实验未发现的可能晶体结构，包括 9 种分子晶体和一种混合结构，Pbam-8 包括交替出现的原子和分子晶体层。然而，他们发现所有 10 种结构都显示出结构动态不稳定性。为了获得稳定的结构，团队将 Pbam-8 向不稳定的方向松弛，形成一种新的动态稳定结构，称为 P2 1 /c-8。“这种新结构是在地球深处等高压条件下实现的固体氢相的有希望的候选者，”Hongo 博士说。

发现新结构比 Cmca-12 更稳定，Cmca-12 以前被发现是 H 2 -PRE 相的有效候选结构，H 2 -PRE 相是高压下固态氢的六个结构相之一（360 至 495 GPa) 在接近 0 K 时稳定。该团队通过比较两种结构的红外光谱进一步验证了他们的结果，这揭示了通常在 H 2 -PRE 相中观察到的类似模式。


虽然这是一个有趣的发现，但 Maezono 教授解释了他们的结果的重要性：“氢晶体问题是材料科学中最具挑战性和最棘手的问题之一。根据所使用的近似类型，预测可能会有很大差异并避免近似是一个典型的挑战。随着我们的结果现在得到验证，我们可以继续研究其他结构预测问题，例如对地球和行星科学有重大影响的硅和镁化合物。