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在化學領域中，氦（helium, He）以惰性特質聞名，幾乎不與任何元素發生反應。然而，近期一項由中央大學、日本東京大學（The University of Tokyo）及北海道大學（Hokkaido University）共同進行的跨國研究，成功證實了在特定條件下，氦能與鐵（Iron, Fe）形成穩定的化合物。這項重大發現不僅挑戰了我們對氦元素的傳統認知，更在解釋地核中氦同位素氦-3（helium-3）的儲存機制方面具有重大突破，為地球科學提供了關鍵性的新證據，對於理解地球早期演化和行星內部結構具有深遠影響。

研究成果發表於《物理評論通訊》期刊（Physical Review Letters），並獲選為編輯推薦文章，體現了這項發現的科學價值。美國物理學會（American Physical Society）旗下的《物理雜誌》（Physics Magazine）也對此進行專文報導，引起國際學界的廣泛關注。

研究團隊使用鑽石高壓砧（diamond anvil cell, DAC）將鐵箔（iron foil）和氦氣加壓至5∼54千兆帕斯卡（gigapascal, GPa），並利用雷射將溫度提升至2820克耳文（kelvin, K），成功在實驗室中模擬出極端的環境條件。在這種極端條件下，研究人員觀察到令人驚訝的現象——鐵的晶體結構發生了顯著變化。

透過同步輻射X光繞射（X-ray diffraction, XRD）分析，科學家發現鐵在高溫高壓下轉變為面心立方結構（face-centered cubic, FCC）或六方最密堆積結構（hexagonal close packed, HCP）。更令人驚訝的是，這些晶格的體積比相同條件下的純鐵大了將近48％。

這個異常的體積擴張現象，為氦原子成功進入鐵晶格提供了直接證據。

中央大學物理系徐翰團隊進行的第一原理計算（firstprinciples calculations）進一步證實了這些化合物的穩定性。計算結果顯示，氦原子並非隨機分布在鐵晶格中，而是優先佔據四面體（tetrahedral）和三角平面（trigonal planar）間隙位置。這種特定的結構安排確保了化合物在0∼50GPa壓力範圍內都能保持動力學穩定性（dynamical stability）。

這項研究的重要性不僅限於基礎科學層面，更為地球科學提供了重要啟示。長期以來，科學家們一直困惑於地球上氦-3的來源。氦－3在地表極為稀少，地表較常見氦-4，但在某些深源火成岩（deep-source igneous rocks）中卻發現了高達地表濃度60多倍的氦-3。這項研究為地核是原始氦-3儲存庫的理論，提供了有力支持。

這項創新性的研究成果不僅展示極端條件下新型物質的形成機制，更為地球科學和行星研究開闢了新的方向。研究團隊成功將實驗技術、理論計算和地球科學觀測結合，找出氦－鐵化合物的形成機制，為理解地球和其他行星的內部結構提供重要的科學依據。

新聞來源
1. 物理系（2025年2月26日）。中央大學跨國研究：氦與鐵可在高溫高壓下形成化合物。國立中央大學新聞網。https://ncusec.ncu.edu.tw/news/headlines_content.php?H_ID=4412。
2. Berkowitz, R. (2025). Iron–Helium Compounds Form Under Pressure. Physics, 18, s22.