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大突破!研究发现氢、氘的高压新相图
浏览次数:539日期:2017- 08 - 08

   经过一个多世纪的研究,人们本以为位为元素周期表中的第一个元素——氢的温度和压力相图已基本确立,但近期中组部“外专千人计划”专家Eugene Gregoryanz带领中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所科研团队发现,在低温和高压区域中,作为氢的同位素氘还存在一个尚未揭示的第二新相II¢。这项研究也修改了氢和氘在广泛压力温度范围的第一(I)、二(II)、三(III)相存在的边界,一个更为全面广泛的相图被建立起来。这些发现于8月7日在国际物理学期刊 《物理评论快报》(Phys. Rev. Lett. 119, 065301 (2017))在线发表,固体所为第一单位,固体所助理研究员刘晓迪为论文第一作者和通讯作者。

论文链接: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.119.065301

   氢以及其同位素是唯一一个在元素周期表中可以用量子力学严格求解的元素,也是科学和技术发展最为关注的元素。作为清洁能源,它与氧化学反应生成水,因此在能源发展上具有优势和潜力。它在压缩状态下可以作为火箭的推进剂,在高温高压下形成的金属形态可以为行星周围磁场的形成提供解释。理论上早已预言金属氢是一个室温或高温超导体,若能够实现可能带来新的技术革命,这个超导体在低温状态下被认为可能存在一个新的超流物质态。随着低温和高压技术的发展,经过一个多世纪的努力,氢与其同位素的I、II、III相的相图本已被广泛接受,其第四(IV)相和第五(V)相在2012和2016年也相继被发现。然而,新的实验发现具有强烈量子效应的相II区域仍存在尚未被触及的新现象,有待进一步深入研究,以理解氢与其同位素从弱分子间相互作用力的高压相I,II,III到强分子间相互作用力的高压相IV,V的演化关系。  

   基于搭建的卓越高压平台,固体所极端环境量子物质中心博士刘晓迪、研究员Eugene Gregoryanz与合作者利用在我国自主搭建的充气系统,将氢气充载进金刚石对顶砧中,利用高压低温拉曼光谱系统,获得了氢和氘在压力(0-200GPa)和温度(4-300K)范围内的一系列等温变压和等压变温拉曼光谱。研究发现,氢的同位素氘的振动频率随温度变化中出现与早前熟知的第二相II不同的特征,这个新相(氘II¢相)存在于压力为25-110GPa之间,温度低于125 K区域,但在相同温度压力条件下的氢中并没有观察到此相,使得氘II¢相成为目前唯一一个氢氘不共有的低温相。分析表明,氘II¢相的出现是量子效应的结果,由于氘相对于氢较低的零点能以及分子间强的相互作用而导致复杂的转动运动。另外,研究还获得了氢和氘的相I到相II转变,相II到相III转变的证据,得到了精确的氢和氘相I、II和III的相边界,更新了氢和氘的高压低温相图。此研究是三十多年来氢氘在中压低温区研究的一大突破,对于理解氢的高压相图、相II中的量子效应等具有重要意义。

       图1. (a) 氢的相图,(b) 氘的相图以及在氘中发现的新相II¢(红色五角星标注)   

   这项重要发现使固体所成为世界高压氢研究的“重镇”,该所极端环境量子物质中心的两位外专千人Eugene Gregoryanz和Alexander Goncharov正是氢第IV相的共同发现者,2016年1月Eugene Gregoryanz指导研究生在国际刊物《自然》上报道了氢的第V相的发现,而这次得到的包含氢和氘的第I、II、III相的新相图是在Alexander Goncharov 2011年工作的基础上完成的。该工作得到了中组部千人计划项目、国家外国专家局、 国家自然科学基金和安徽省自然科学基金的资助。   

       图2. Eugene Gregoryanz(左一)和刘晓迪(右一)等正在进行氢的高压低温拉曼光谱测量