透過電子局部函數 (electron localization function)，中央大學徐翰教授團隊發現，在極端高溫高壓下，氦原子（帶有黃環之紅色圓圈）在鐵晶體中嵌入鐵原子（帶有黑色中心之紅色圓圈）之間的空間。
撰稿 / 許芷辰 (科學推展中心特約編輯)
惰性氣體=「不反應」？
在元素週期表中，氦（He）做為一個惰性氣體，就像是一個孤獨又頑固的存在。它鮮少與其他元素結合，無論是超高或超低溫度還是強烈的化學反應，氦都像個冷漠的旁觀者，靜靜地漂浮在宇宙之間，保持著穩定的狀態，以獨立的單原子狀態存在。然而，一項最新的研究挑戰了這個傳統認知：國立中央大學物理學系徐翰教授，與東京大學廣瀨敬（Kei Hirose）教授的團隊合作，透過極端高溫高壓環境，成功讓氦嵌入金屬鐵的晶格中，形成一種嶄新的鐵-氦化合物，這項發現拓展了我們對惰性氣體化學性的理解，更為地球內部貯藏原始氦的理論提供了新證據。
來自宇宙初始的化學元素
氦是最輕的元素之一，並且主要由兩種同位素：氦-4 (4He）與氦-3（3He）組成。其中，氦-3是宇宙大爆炸後形成的產物，亦被稱為原始氦（primordial helium）。近年來，研究人員在火山噴發的熔岩（來自地球深部）樣本中發現氦-3的濃度遠高於地表，因此推測地函深處、甚至是地核中，可能蘊藏著大量的「原始氦」，但這些氦究竟貯藏在地球內部的哪個區域，始終是個謎。本研究的發現，為上述理論提供了一個可能的解釋：地核的金屬鐵可能是氦-3的「避風港」，讓這種珍貴的同位素能夠在地球內部保存數十億年，並緩緩釋出。
高壓實驗：氦與鐵的結合
廣瀨教授的團隊利用鑽石高壓砧（diamond anvil cell）設備（如圖1），將鐵與氦樣品置於超過54 GPa（約50萬個大氣壓）和2,820 K（約2,500°C）的極端條件下。鑽石高壓砧是一種能夠施加極端壓力的裝置，以兩顆鑽石夾住樣品並逐步施加壓力，可使樣品內部達到數十甚至一兩百GPa，同時利用雷射加熱，使樣品溫度升高至攝氏數千度，如此便能夠模擬地球深部以及地核形成時的高溫高壓條件（現今地核中心壓力為 360 GPa）。
圖1. 鑽石高壓砧（diamond anvil cell）。
解析實驗數據：X光繞射揭露氦的存在
透過同步輻射X光繞射技術（Synchrotron X-ray diffraction），廣瀨團隊分析樣品的結構。比對純鐵與鐵-氦化合物的X光繞射圖譜，研究人員發現在相同溫度壓力下，後者的晶格體積明顯增大（如圖2）。北海道大學的研究團隊則利用二次離子質譜分析（secondary ion mass spectrometry, SIMS），確認氦原子分布在鐵的晶格結構內。由這兩項證據，可以推測氦原子嵌入鐵的晶格結構之中，形成穩定的鐵-氦化合物，但此項推測以及鐵氦鍵結的機制，仍需進一步驗證釐清。
圖2. 黑/藍色實線代表實線代表純鐵，虛線代表氦-鐵化合物。
原子尺度之理論分析
徐翰教授以量子力學模擬，亦即第一原理計算（first-principles calculations），驗證了鐵-氦化合物的動力學穩定性（dynamical stability），並揭示了其中的原子結構、電子性質與磁性態。計算結果顯示，氦原子嵌入了鐵晶格之內特定的「間隙位點（Interstitial Sites）」，造成晶體的體積擴張。而鐵-氦鍵結的機制，可使用計算所得之電子局部函數 (electron localization function) 分析（如圖3）：鐵-氦鍵結展現出凡德瓦 (Van der Waals) 作用力的特徵，換言之，氦原子所帶的電子或多或少參與了化學鍵結，但基本上仍未形成很強的化學鍵。
圖3. 電子局部函數 (electron localization function) 分析化學鍵結，發現鐵-氦化合物的鍵結展現出凡德瓦作用力的特徵。
這項發現意味著什麼？
從物理與化學的角度檢視，這項研究的突破為「惰性氣體不參與化學反應」的傳統觀念帶來新見解。過去已有研究顯示，在極端高壓下，氦能與氮、鈉等元素形成穩定的化合物，而此次氦與鐵結合的例證，延伸了我們對於惰性氣體鍵結在材料科學方面的理解。此外，本研究結果也對地球內部組成提供不同看法。長久以來，地球物理/化學家一直在探討地核是否能夠儲存氦，而這次的發現提供了強而有力的證據，顯示地核的金屬鐵可能確實是氦-3的藏身之處。換言之，氦-3可能在鐵晶格中長時間保持穩定，並緩慢釋出。此一結果，支持一項長久以來的地球科學理論：地球形成初期捕獲的原始氦，可能一直貯藏於地核深處，再被地質活動攜帶到地表。這也連帶解釋了為何火山噴發來自地球深部的熔岩，會含有超高濃度的氦-3。
鐵-氦化合物的發現不僅提供來自地球深處的資訊，也可能改變我們對其他行星內部結構的認知。例如，如果有其他行星之組成含有大量的氦氣，那麼鐵-氦相互作用就可能會影響其的金屬核心結構，對行星演化有重大影響。
未來的探索
這項研究提供金屬鐵鐵與氦形成化合物的理論基礎，但仍需更多實驗來確定地球內部的氦-3分布情形。例如，氦在岩漿、矽酸鹽熔體（molten silicate）與金屬鐵之間的分配行為（partitioning）仍是關鍵問題。如果氦在鐵中的穩定性高於矽酸鹽，那麼它就更可能存於地核，而非地函。
除了地球科學的影響，這項研究也可能為未來的材料研究開啟新的可能性。除了鐵之外，是否有其他過渡金屬（transition metals）也能夠與氦形成類似的化合物？了解惰性氣體在極端環境下的行為，將是下一個值得探究的研究方向。
正如徐翰教授所言：「跨領域研究讓我們能從原子尺度理解地球的演化，甚至探索其他行星的結構與適居性。」這項研究不僅揭示了地球內部的奧秘，也讓人們更加理解宇宙誕生以來，元素在極端環境下的變化與特性。
參考資料：
[1] Haruki Takezawa, Han Hsu, Kei Hirose, Fumiya Sakai, Suyu Fu, Hitoshi Gomi, Shiro Miwa, and Naoya Sakamoto. Formation of Iron-Helium Compounds under High Pressure. Phys. Rev. Lett. 134, 084101 (2025). DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.084101
