Hydrogen is expected to display remarkable properties under extreme pressures and temperatures stemming from its low mass and thus propensity to quantum phenomena. Exploring such phenomena remains very challenging even though there was a tremendous technical progress both in experimental and theoretical techniques since the last comprehensive review (McMahon et al.) was published in 2012. Raman and optical spectroscopy experiments including infrared have been extended to cover a broad range of pressures and temperatures (P—T) probing phase stability and optical properties at these conditions. Novel pulsed laser heating and toroidal diamond anvil techniques together with diamond anvil protecting layers drastically improved the capabilities of static compression methods. The electrical conductivity measurements have been also performed to much higher than previously pressures and extended to low temperatures. The dynamic compression techniques have been dramatically improved recently enabling ramp isentropic compression that allows probing a wide range of P–T thermodynamic pathways. In addition, new theoretical methods have been developed beyond a common DFT theory, which make them predictive and in better agreement with experiments. With the development of new theoretical and experimental tools and sample loading methods, the quest for metallic hydrogen accelerated recently delivering a wealth of new data, which are reviewed here.

1.
J. M.
McMahon
,
M. A.
Morales
,
C.
Pierleoni
, and
D. M.
Ceperley
,
Rev. Mod. Phys.
84
,
1607
(
2012
).
2.
N. W.
Ashcroft
,
Phys. Rev. Lett.
92
,
187002
(
2004
).
3.
E.
Babaev
,
A.
Sudbø
, and
N. W.
Ashcroft
,
Nature
431
,
666
(
2004
).
4.
E.
Wigner
and
H. B.
Huntington
,
J. Chem. Phys.
3
,
764
(
1935
).
5.
A. F.
Goncharov
,
R. T.
Howie
, and
E.
Gregoryanz
,
Fiz. Nizk. Temp.
39
,
523
(
2013
) [
Low Temp. Phys.
39, 402 (2013)].
6.
H. Y.
Geng
,
Matter and Radiation at Extremes
2
,
275
(
2017
).
7.
C. J.
Pickard
and
R. J.
Needs
,
J. Phys. Condens. Matter
23
,
053201
(
2011
).
8.
N. D.
Drummond
,
B.
Monserrat
,
J. H.
Lloyd-Williams
,
P.
López Ríos
,
C. J.
Pickard
, and
R. J.
Needs
,
Nature Commun.
6
,
7794
(
2015
).
9.
W. M. C.
Foulkes
,
L.
Mitas
,
R. J.
Needs
, and
G.
Rajagopal
,
Rev. Mod. Phys.
73
,
33
(
2001
).
10.
S.
Azadi
,
B.
Monserrat
,
W. M. C.
Foulkes
, and
R. J.
Needs
,
Phys. Rev. Lett.
112
,
165501
(
2014
).
11.
J.
McMinis
,
R. C.
Clay
,
D.
Lee
, and
M. A.
Morales
,
Phys. Rev. Lett.
114
,
105305
(
2015
).
12.
B.
Monserrat
,
N. D.
Drummond
, and
R. J.
Needs
,
Phys. Rev. B
87
,
144302
(
2013
).
13.
G.
Geneste
,
M.
Torrent
,
F.
Bottin
, and
P.
Loubeyre
,
Phys. Rev. Lett.
109
,
155303
(
2012
).
14.
H.
Kitamura
,
S.
Tsuneyuki
,
T.
Ogitsu
, and
T.
Miyake
,
Nature
404
,
259
(
2000
).
15.
H. Y.
Geng
,
Q.
Wu
, and
Y.
Sun
,
J. Phys. Chem. Lett.
8
,
223
(
2017
).
16.
C.
Pierleoni
,
M. A.
Morales
,
G.
Rillo
,
M.
Holzmann
, and
D. M.
Ceperley
,
Proc. Natl. Acad. Sci.
113
,
4953
(
2016
).
17.
G.
Rillo
,
M. A.
Morales
,
D. M.
Ceperley
, and
C.
Pierleoni
,
Proc. Natl. Acad. Sci.
116
,
9770
(
2019
).
18.
A.
Dewaele
,
P.
Loubeyre
,
F.
Occelli
,
O.
Marie
, and
M.
Mezouar
,
Nature Commun.
9
,
2913
(
2018
).
19.
Z.
Jenei
,
E. F.
O’Bannon
,
S. T.
Weir
, and
H.
Cynn
,
Nature Commun.
9
,
3563
(
2018
).
20.
N.
Dubrovinskaia
,
L.
Dubrovinsky
,
N. A.
Solopova
,
A.
Abakumov
,
S.
Turner
,
M.
Hanfland
,
E.
Bykova
,
M.
Bykov
,
C.
Prescher
,
V. B.
Prakapenka
,
S.
Petitgirard
,
I.
Chuvashova
,
B.
Gasharova
,
Y.-L.
Mathis
,
P.
Ershov
,
I.
Snigireva
, and
A.
Snigirev
,
Sci. Adv.
2
,
e1600341
(
2016
).
21.
P.
Loubeyre
,
F.
Occelli
, and
P.
Dumas
, arXiv:1906.05634 (
2019
).
22.
A. F.
Goncharov
,
I.
Chuvashova
,
C.
Ji
, and
H.-
k
.
Mao
,
PNAS
116
,
25512
(
2019
).
23.
R. P.
Dias
and
I. F.
Silvera
,
Science
355
,
715
(
2017
).
24.
M. I.
Eremets
,
A. P.
Drozdov
,
P. P.
Kong
, and
H.
Wang
,
Nature Phys.
15
,
1246
(
2019
).
25.
P.
Loubeyre
,
F.
Occelli
, and
P.
Dumas
, arXiv:1702.07192v1 (
2017
).
26.
X.-D.
Liu
,
P.
Dalladay-Simpson
,
R. T.
Howie
,
B.
Li
, and
E.
Gregoryanz
,
Science
357
,
eaan2286
(
2017
).
27.
R. T.
Howie
,
E.
Gregoryanz
, and
A. F.
Goncharov
,
J. Appl. Phys.
114
,
073505
(
2013
).
28.
M. I.
Eremets
and
I. A.
Troyan
,
Nat. Mater.
10
,
927
(
2011
).
29.
S.
Jiang
,
N.
Holtgrewe
,
Z. M.
Geballe
,
S. S.
Lobanov
,
M. F.
Mahmood
,
R. S.
McWilliams
, and
A. F.
Goncharov
,
Adv. Sci.
190168
(
2019
).
30.
R. S.
McWilliams
,
D. A.
Dalton
,
Z.
Konôpková
,
M. F.
Mahmood
, and
A. F.
Goncharov
,
Proc. Natl. Acad. Sci.
112
,
7925
(
2015
).
31.
S.
Jiang
,
N.
Holtgrewe
,
S. S.
Lobanov
,
F.
Su
,
M. F.
Mahmood
,
R. S.
McWilliams
, and
A. F.
Goncharov
,
Nature Commun.
9
,
2624
(
2018
).
32.
M.
Zaghoo
,
R. J.
Husband
, and
I. F.
Silvera
,
Phys. Rev. B
98
,
104102
(
2018
).
33.
A. F.
Goncharov
,
R. J.
Hemley
, and
H.-k.
Mao
,
J. Chem. Phys.
134
,
174501
(
2011
).
34.
R. T.
Howie
,
P.
Dalladay-Simpson
, and
E.
Gregoryanz
,
Nat. Mater.
14
,
495
(
2015
).
35.
M. I.
Eremets
,
I. A.
Troyan
, and
A. P.
Drozdov
, arXiv:1601.04479v1 (
2016
).
36.
C.-.
Zha
,
H.
Liu
,
J. S.
Tse
, and
R. J.
Hemley
,
Phys. Rev. Lett.
119
,
075302
(
2017
).
37.
J.
Chen
,
X.-Z.
Li
,
Q.
Zhang
,
M. I. J.
Probert
,
C. J.
Pickard
,
R. J.
Needs
,
A.
Michaelides
, and
E.
Wang
,
Nature Commun.
4
,
2064
(
2013
).
38.
V.
Dzyabura
,
M.
Zaghoo
, and
I. F.
Silvera
,
Proc. Natl. Acad. Sci.
110
,
8040
(
2013
).
39.
K.
Ohta
,
K.
Ichimaru
,
M.
Einaga
,
S.
Kawaguchi
,
K.
Shimizu
,
T.
Matsuoka
,
N.
Hirao
, and
Y.
Ohishi
,
Sci. Rep.
5
,
16560
(
2015
).
40.
R. S.
McWilliams
,
D. A.
Dalton
,
M. F.
Mahmood
, and
A. F.
Goncharov
,
Phys. Rev. Lett.
116
,
255501
(
2016
).
41.
M. D.
Knudson
,
M. P.
Desjarlais
,
A.
Becker
,
R. W.
Lemke
,
K. R.
Cochrane
,
M. E.
Savage
,
D. E.
Bliss
,
T. R.
Mattsson
, and
R.
Redmer
,
Science
348
,
1455
(
2015
).
42.
P. M.
Celliers
,
M.
Millot
,
S.
Brygoo
,
R. S.
McWilliams
,
D. E.
Fratanduono
,
J. R.
Rygg
,
A. F.
Goncharov
,
P.
Loubeyre
,
J. H.
Eggert
,
J. L.
Peterson
,
N. B.
Meezan
,
S. L.
Pape
,
G. W.
Collins
,
R.
Jeanloz
, and
R. J.
Hemley
,
Science
361
,
677
(
2018
).
43.
P.
Loubeyre
,
S.
Brygoo
,
J.
Eggert
,
P. M.
Celliers
,
D. K.
Spaulding
,
J. R.
Rygg
,
T. R.
Boehly
,
G. W.
Collins
, and
R.
Jeanloz
,
Phys. Rev. B
86
,
144115
(
2012
).
44.
S. T.
Weir
,
A. C.
Mitchell
, and
W. J.
Nellis
,
Phys. Rev. Lett.
76
,
1860
(
1996
).
45.
V. E.
Fortov
,
R. I.
Ilkaev
,
V. A.
Arinin
,
V. V.
Burtzev
,
V. A.
Golubev
,
I. L.
Iosilevskiy
,
V. V.
Khrustalev
,
A. L.
Mikhailov
,
M. A.
Mochalov
,
V. Y.
Ternovoi
, and
M. V.
Zhernokletov
,
Phys. Rev. Lett.
99
,
185001
(
2007
).
46.
M.
Zaghoo
,
A.
Salamat
, and
I. F.
Silvera
,
Phys. Rev. B
93
,
155128
(
2016
).
47.
M.
Zaghoo
and
I. F.
Silvera
,
Proc. Natl. Acad. Sci.
114
,
11873
(
2017
).
48.
I. F.
Silvera
,
Rev. Mod. Phys.
52
,
393
(
1980
).
49.
F.
Moshary
,
N. H.
Chen
, and
I. F.
Silvera
,
Phys. Rev. Lett.
71
,
3814
(
1993
).
50.
Y.
Crespo
,
A.
Laio
,
G. E.
Santoro
, and
E.
Tosatti
,
Phys. Rev. B
84
,
144119
(
2011
).
51.
Y. A.
Freiman
,
S. M.
Tretyak
,
A.
Jezowski
, and
R. J.
Hemley
,
J. Low Temp. Phys.
113
,
723
(
1998
).
52.
C. J.
Pickard
and
R. J.
Needs
,
Nat. Phys.
3
,
473
(
2007
).
53.
C. J.
Pickard
and
R. J.
Needs
,
Phys. Status Solidi B
246
,
536
(
2009
).
54.
S.
Biermann
,
D.
Hohl
, and
D.
Marx
,
Solid State Commun.
108
,
337
(
1998
).
55.
I.
Goncharenko
and
P.
Loubeyre
,
Nature
435
,
1206
(
2005
).
56.
A. F.
Goncharov
,
J. H.
Eggert
,
I. I.
Mazin
,
R. J.
Hemley
, and
H.-k.
Mao
,
Phys. Rev. B
54
,
R15590
(
1996
).
57.
X.-D.
Liu
,
R. T.
Howie
,
H.-C.
Zhang
,
X.-J.
Chen
, and
E.
Gregoryanz
,
Phys. Rev. Lett.
119
,
065301
(
2017
).
58.
A. F.
Goncharov
and
Y. A.
Freiman
,
Phys. Rev. Lett.
122
,
199601
(
2019
).
59.
I.
Chuvashova
,
E.
Bykova
,
M.
Bykov
,
V.
Svitlyk
,
B.
Gasharova
,
Y.-L.
Mathis
,
R.
Caracas
,
L.
Dubrovinsky
, and
N.
Dubrovinskaia
,
J. Solid State Chem.
245
,
50
(
2017
).
60.
A. F.
Goncharov
,
R. J.
Hemley
,
H.-k.
Mao
, and
J.
Shu
,
Phys. Rev. Lett.
80
,
101
(
1998
).
61.
I. I.
Mazin
,
R. J.
Hemley
,
A. F.
Goncharov
,
M.
Hanfland
, and
H.-k.
Mao
,
Phys. Rev. Lett.
78
,
1066
(
1997
).
62.
Y.
Akahama
,
Y.
Mizuki
,
S.
Nakano
,
N.
Hirao
, and
Y.
Ohishi
,
J. Phys. Confer. Ser.
950
,
042060
(
2017
).
63.
C.
Ji
,
B.
Li
,
W.
Liu
,
J. S.
Smith
,
A.
Majumdar
,
W.
Luo
,
R.
Ahuja
,
J.
Shu
,
J.
Wang
,
S.
Sinogeikin
,
Y.
Meng
,
V. B.
Prakapenka
,
E.
Greenberg
,
R.
Xu
,
X.
Huang
,
W.
Yang
,
G.
Shen
,
W. L.
Mao
, and
H. K.
Mao
,
Nature
573
,
558
(
2019
).
64.
B.
Monserrat
,
R. J.
Needs
,
E.
Gregoryanz
, and
C. J.
Pickard
,
Phys. Rev. B
94
,
134101
(
2016
).
65.
A. F.
Goncharov
,
E.
Gregoryanz
,
R. J.
Hemley
, and
H.-k.
Mao
,
Proc. Natl. Acad. Sci.
98
,
14234
(
2001
).
66.
P.
Loubeyre
,
F.
Occelli
, and
R.
LeToullec
,
Nature
416
,
613
(
2002
).
67.
C.-S.
Zha
,
Z.
Liu
, and
R. J.
Hemley
,
Phys. Rev. Lett.
108
,
146402
(
2012
).
68.
R.
Dias
,
O.
Noked
, and
I. F.
Silvera
, arXiv:1603.02162v2 (
2016
).
69.
R. T.
Howie
,
C. L.
Guillaume
,
T.
Scheler
,
A. F.
Goncharov
, and
E.
Gregoryanz
,
Phys. Rev. Lett.
108
,
125501
(
2012
).
70.
B.
Monserrat
,
N. D.
Drummond
,
P.
Dalladay-Simpson
,
R. T.
Howie
,
P.
López Ríos
,
E.
Gregoryanz
,
C. J.
Pickard
, and
R. J.
Needs
,
Phys. Rev. Lett.
120
,
255701
(
2018
).
71.
A. F.
Goncharov
,
J. S.
Tse
,
H.
Wang
,
J.
Yang
,
V. V.
Struzhkin
,
R. T.
Howie
, and
E.
Gregoryanz
,
Phys. Rev. B
87
,
024101
(
2013
).
72.
R. T.
Howie
,
T.
Scheler
,
C. L.
Guillaume
, and
E.
Gregoryanz
,
Phys. Rev. B
86
,
214104
(
2012
).
73.
H.
Liu
and
Y.
Ma
,
Phys. Rev. Lett.
110
,
025903
(
2013
).
74.
I. B.
Magdau
and
G. J.
Ackland
,
Phys. Rev. B
87
,
174110
(
2013
).
75.
H.
Liu
,
J.
Tse
, and
Y.
Ma
,
J. Phys. Chem. C
118
,
11902
(
2014
).
76.
C. J.
Pickard
,
M.
Martinez-Canales
, and
R. J.
Needs
,
Phys. Rev. B
85
,
214114
(
2012
).
77.
C.-.
Zha
,
Z.
Liu
,
M.
Ahart
,
R.
Boehler
, and
R. J.
Hemley
,
Phys. Rev. Lett.
110
,
217402
(
2013
).
78.
P.
Dalladay-Simpson
,
R. T.
Howie
, and
E.
Gregoryanz
,
Nature
529
,
63
(
2016
).
79.
C.-.
Zha
,
R. E.
Cohen
,
H.-k.
Mao
, and
R. J.
Hemley
,
Proc. Natl. Acad. Sci.
111
,
4792
(
2014
).
80.
O.
Dubay
,
G.
Kresse
, and
H.
Kuzmany
,
Phys. Rev. Lett.
88
,
235506
(
2002
).
81.
L.
Dubrovinsky
,
N.
Dubrovinskaia
, and
M. I.
Katsnelson
, arXiv:1910.10772v1 (
2019
).
82.
M. P.
Desjarlais
,
M. D.
Knudson
, and
R.
Redmer
,
Science
363
,
eaaw0969
(
2019
).
83.
P. M.
Celliers
,
M.
Millot
,
S.
Brygoo
,
R. S.
McWilliams
,
D. E.
Fratanduono
,
J. R.
Rygg
,
A. F.
Goncharov
,
P.
Loubeyre
,
J. H.
Eggert
,
J. L.
Peterson
,
N. B.
Meezan
,
S.
Le Pape
,
G. W.
Collins
,
R.
Jeanloz
, and
R. J.
Hemley
,
Science
363
,
eaaw1970
(
2019
).
84.
S. A.
Bonev
,
E.
Schwegler
,
T.
Ogitsu
, and
G.
Galli
,
Nature
431
,
669
(
2004
).
85.
H. Y.
Geng
and
Q.
Wu
,
Sci. Rep.
6
,
36745
(
2016
).
86.
A. F.
Goncharov
and
V. V.
Struzhkin
,
Science
357
,
eaam9736
(
2017
).
87.
M. I.
Eremets
and
A. P.
Drozdov
, arXiv:1702.05125v1 (
2017
).
88.
I. I.
Naumov
and
R. J.
Hemley
,
Phys. Rev. Lett.
117
,
206403
(
2016
).
89.
I. I.
Naumov
,
R. E.
Cohen
, and
R. J.
Hemley
,
Phys. Rev. B
88
,
045125
(
2013
).
90.
W. L.
Yim
,
H.
Shi
,
Y.
Liang
,
R. J.
Hemley
, and
J. S.
Tse
, in
Correlations in Condensed Matter Under Extreme Conditions,
edited by
A.
La Magna
and
G.
Angilella
(
Springer
,
Cham
,
2017
).
91.
Y.
Katayama
,
T.
Mizutani
,
W.
Utsumi
,
O.
Shimomura
, and
M.
Yamakata
,
Nature
403
,
170
(
2000
).
92.
W.
Ebeling
and
W.
Richert
,
Phys. Lett. A
108
,
80
(
1985
).
93.
D.
Saumon
and
G.
Chabrier
,
Phys. Rev. Lett.
62
,
2397
(
1989
).
94.
W. R.
Magro
,
D. M.
Ceperley
,
C.
Pierleoni
, and
B.
Bernu
,
Phys. Rev. Lett.
76
,
1240
(
1996
).
95.
W.
Lorenzen
,
B.
Holst
, and
R.
Redmer
,
Phys. Rev. B
82
,
195107
(
2010
).
96.
I.
Tamblyn
and
S. A.
Bonev
,
Phys. Rev. Lett.
104
,
065702
(
2010
).
97.
M. A.
Morales
,
C.
Pierleoni
,
E.
Schwegler
, and
D. M.
Ceperley
,
Proc. Natl. Acad. Sci.
107
,
12799
(
2010
).
98.
S.
Scandolo
,
Proc. Nat. Acad. Sci.
100
,
3051
(
2003
).
99.
M. A.
Morales
,
J. M.
McMahon
,
C.
Pierleoni
, and
D. M.
Ceperley
,
Phys. Rev. Lett.
110
,
065702
(
2013
).
100.
G.
Mazzola
and
S.
Sorella
,
Phys. Rev. Lett.
114
,
105701
(
2015
).
101.
P. M.
Celliers
,
G. W.
Collins
,
L. B.
Da Silva
,
D. M.
Gold
,
R.
Cauble
,
R. J.
Wallace
,
M. E.
Foord
, and
B. A.
Hammel
,
Phys. Rev. Lett.
84
,
5564
(
2000
).
102.
A. F.
Goncharov
and
Z. M.
Geballe
,
Phys. Rev. B
96
,
157101
(
2017
).
You do not currently have access to this content.