Utilizzando una tecnica di sincrotrone all'avanguardia di nuova concezione, un gruppo di scienziati guidati dal dottor Ho-kwang Mao, Direttore di HPSTAR, ha condotto il primo studio ad alta pressione della banda elettronica e delle informazioni sul gap dell'idrogeno solido fino a 90 GPa. Il loro innovativo risultato di scattering di raggi X anelastico ad alta pressione serve come test per la misurazione diretta del processo di metallizzazione dell'idrogeno e apre la possibilità di risolvere le dispersioni elettroniche dell'idrogeno denso. Questo lavoro è pubblicato in un recente numero di Lettere di revisione fisica .

L'evoluzione indotta dalla pressione della banda elettronica dell'idrogeno da un isolante ad ampio gap a un metallo a gap chiuso, o idrogeno metallico, è stato un problema di vecchia data nella fisica moderna. Però, l'energia notevolmente elevata dell'idrogeno ha impedito che il band gap elettronico fosse osservato direttamente sotto pressione prima. sonde esistenti, come la conduttività elettrica, assorbimento ottico, o misure di spettroscopia a riflessione, sono limitati e forniscono poche informazioni su un isolante ad ampio gap. "Tutti gli studi precedenti sul band gap nell'isolamento dell'idrogeno sotto compressione erano basati su uno schema indiretto che utilizzava misurazioni ottiche, " spiega il dottor Mao.

Il team ha utilizzato un'elevata brillantezza, radiazione di sincrotrone ad alta energia per sviluppare una sonda a raggi X anelastica (IXS), ottenendo informazioni sulla banda elettronica dell'idrogeno in situ ad alta pressione in una cella a incudine diamantata (DAC). "Lo sviluppo della nostra tecnica DAC-IXS per questo progetto ha richiesto un team internazionale di molti esperti nella spettroscopia a raggi X anelastica di sincrotrone, strumentazione, e tecniche ad altissima pressione in cinque anni per completare, " ha detto il dottor Bing Li, il primo autore.

"In realtà, il vero inizio di questo progetto può essere fatto risalire a più di 20 anni fa, e questi risultati sono il culmine di tutta quella preparazione e sperimentazione. Una vera testimonianza degli enormi sforzi e dei talenti del team coinvolto, " ha affermato il dott. Mao. La nuova tecnica della sonda IXS ha consentito di misurare un intervallo di energia UV inaccessibile ed esteso di 45 eV, mostrando come la densità elettronica congiunta degli stati e il band gap dell'idrogeno denso evolvono con la pressione. Il band gap elettronico è diminuito linearmente da 10,9 eV a 6,57 eV, con una densificazione di 8,6 volte da zero pressione fino a 90 GPa.

Questi sviluppi nelle capacità di sincrotrone all'avanguardia con sonde a raggi X su scala da submicronica a nanometrica amplieranno solo le future possibilità sperimentali. I progressi di IXS a pressioni più elevate potrebbero mettere a portata di mano la regione semiconduttrice delle fasi II-V e consentire lo studio della metallizzazione dell'idrogeno attraverso misurazioni elettroniche dirette e quantitative del band gap.

Questo lavoro supera sfide tecniche formidabili, ottenendo per la prima volta misurazioni sperimentali dirette della banda elettronica dell'idrogeno e del suo gap.