Figura 1. Diagrammi di fase a bassa temperatura proposti di tre miscele H2-D2 rappresentative (H 2 :D 2 rapporti di 75:25 =3:1, 50:50 =1:1, e 40:60 =2:3). La fase I è mostrata in verde, la fase II è mostrata in rosso, e la fase III è mostrata in arancione. Diverse sfumature di colore nella fase II e nella fase III rappresentano diverse concentrazioni di miscela. Le linee tratteggiate grigie rappresentano i confini di fase degli isotopi puri. (Riquadro) Diagramma di fase esteso della singola miscela 50:50, che mostra i punti dati raccolti per la compressione isotermica e i cicli di raffreddamento isobarici. Credito:LIU Xiaodi
Una squadra unita, esplorando i diagrammi di fase in H . denso 2 -DISCO FISSO 2 miscele, ha riportato una nuova scoperta in cui hanno trovato effetti controintuitivi del drogaggio isotopico sul diagramma di fase di H 2 -DISCO FISSO 2 lega molecolare.
Questo lavoro è stato condotto da un gruppo di ricerca presso l'Istituto di Fisica dello Stato Solido, Hefei Institutes of Physical Science collabora con ricercatori del Centre for High Pressure Science &Technology Advanced Research e dell'Università di Edimburgo. È stato pubblicato in PNAS il 2 giugno 2020.
L'idrogeno molecolare forma il solido quantistico archetipico. La sua natura quantistica è rivelata da un comportamento classicamente impossibile e da effetti isotopici molto forti. Effetti isotopi tra H 2 , D 2 , e le molecole HD derivano dalla differenza di massa e dai diversi effetti di scambio quantistico:Fermionic H 2 le molecole hanno funzioni d'onda antisimmetriche, mentre bosonico D 2 le molecole hanno funzioni d'onda simmetriche, e le molecole HD non hanno simmetria di scambio.
Per studiare come il diagramma di fase dipende dagli effetti quanto-nucleari, il team congiunto ha utilizzato la spettroscopia Raman in situ ad alta pressione e bassa temperatura per mappare i diagrammi di fase di H 2 -DISCO FISSO 2 con varie concentrazioni di isotopi in un ampio intervallo P-T.
Quando l'idrogeno e il deuterio furono mescolati, hanno formato H 2 + HD + D 2 miscele a pressioni molto basse e temperatura ambiente.
Hanno scoperto che le miscele di H 2 , HD, e D 2 si è comportato come una lega molecolare isotopica (soluzione ideale) e ha mostrato transizioni di fase di rottura della simmetria tra le fasi I e II e la fase III.
Nel loro esperimento, i ricercatori sono rimasti sorpresi nello scoprire che tutte le transizioni si sono verificate a pressioni più elevate per le leghe rispetto a quelle dell'H . puro 2 o D 2 . Ciò andava contro qualsiasi effetto quantistico basato sulla massa degli isotopi, ma potrebbe essere spiegato dall'intrappolamento quantistico di stati ad alta energia cinetica mediante l'interazione di scambio.
"Poiché l'HD ha una massa intermedia e un componente prevalente in queste leghe, ci si aspetterebbe che con la sua aggiunta si verifichino transizioni di fase a regimi P-T intermedi, " ha detto il principale scienziato di questo studio, "La discrepanza dalla comprensione più classica dei diagrammi di fase molecolari, deriva dalla natura quantistica delle stesse molecole di idrogeno, dove lo scambio-simmetria può in effetti intrappolare le molecole in differenti, stati di energia più elevata."
"Le molecole HD non hanno simmetria di scambio, a bassa temperatura tutte le molecole HD saranno nello stato energetico più basso. Però, puro H 2 e D 2 avere simmetria di scambio, così alcune delle molecole sarebbero intrappolate negli stati energetici più elevati. Quindi l'energia cinetica intrappolata è inferiore nelle miscele che in entrambi gli elementi puri, e sposta la transizione di fase a pressioni più elevate nelle miscele, " ha detto Liu Xiaodi, il primo autore del saggio.
