前沿科技 | 中科院等科学家合作在超高压下氢氘混合物新相变行为研究中获进展

扬州网2020-12-12 16:54:36

近日,中科院科学家团队--合肥物质科学研究院固体物理研究所极端环境量子物质中心团队副研究员刘晓迪与北京高压科学中心、英国爱丁堡大学的研究人员合作。利用金刚石边框高压技术研究高压下氢氘混合物的物性,发现氢氘混合物中同位素效应引起的氢氘混合物新相变行为的研究成果发表在美国国家科学院院刊(pnas)上。刘晓迪是文章的第一作者和共同通讯作者。

氢的同位素氘(d)与氢的质量比(2)比周期表中的其他元素大,氢和氘的零点能量很大,因此同位素效应强。氢分子(p)是费米子,必须满足反对称的波函数。氘(d2)是波子,必须满足对称的波函数。但由于氢氘(hd)不是同一粒子,不受交换对称性的限制,所以核自旋方向对能级排列没有影响。上述特征将对氢、氘、氢氘的相度和性质产生较大影响。氢和氘看似简单,但在高压下表现出非常复杂的相图,目前已经报道了氢的相i到相v5个高压固相。其中氢和氘的高压低温相ii由于特殊的量子效应和同位素效应而表现出不同的相图和行为。氢氘混合物在高压低温下的相图,特别是相ii还有待进一步探索。

研究人员在高压下快速获得氢氘混合物(p+d2+hd),然后利用自建的高压低温原位物性测试系统,当氢氘混合物压力高时,可以选择200gpa;研究了低则10k的超高压低温拉曼光谱,发现氢氘和氢氘在表现出与分子固溶体类似的行为的同时发生了相变。氢进入ii时的压力为60gpa,氘进入ii时的压力为20gpa。由于氢氘的质量介于氢和氘之间,所以通常认为氢氘和ii的压力介于纯氢和纯氘之间。但有趣的是,团队发现氢氘混合物比氘和氢有更高的压力,这是由高能态对量子的交换相互作用产生的。hd分子不存在交换对称性,从而使hd分子处于能量稳定的基态。但纯氢分子和氘分子都受到交换对称性的限制,导致一些分子被困在高旋转能状态中,这些高旋转能量使体系不稳定,从而导致低压力条件下相转变为稳定相。研究人员根据宽的压力-温度范围,以不同的比例绘制了氢氘混合物的高压低温相态,发现混合物的相变压力随着氢比的提高而增大。这项工作对于理解氢、氘、氢氘混合物的相图、氢和氘的同位素效应和量子效应具有重要作用。

该项工作得到国家自然科学基金、中国科学院创新基金、挑战计划、合肥研究院院长基金等支持。

图1。三种典型比例的氢氘混合物(氢和氘的比例分别为75:25=3:1;50:50=1:1,40:60=2:3)的高压低温相图和纯氢p(灰色虚线)和纯氘d2(黑色虚线)的高压低温相图。

图2。用三种氢氘混合物(氢与氘的比值分别为75:25=3:1、50:50=1:1、40:60=2:3)的高压低温拉曼光谱,温度为10-20k,压力为0-200gpa。

(来源:中国科学院)

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