Een internationaal experimenteel onderzoeksteam onder leiding van professor Ho-Kwang Mao en Dr. Cheng Ji van HPSTAR, China en een theorieteam onder leiding van professor Rajeev Ahuja, Universiteit van Uppsala, hebben experimenteel onderzoek en theorie gebruikt om structurele faseovergangen onder hoge druk in waterstof te begrijpen die aanleiding kunnen geven tot metallisatie en zelfs tot supergeleiding kunnen leiden. De bevindingen zijn deze week gepubliceerd in de online editie van Natuur .

Waterstof (H ₂ ) is een van de meest voorkomende en lichtste elementen in het universum, en er wordt al zestig jaar gespeculeerd dat metallisatie van zuivere waterstof zou kunnen leiden tot supergeleiding bij kamertemperatuur, hoewel dit tot nu toe een open vraag is gebleven. Echter, enorme druk zou nodig zijn om waterstof voldoende te comprimeren om deze metallische toestand te bereiken. Met niet-aflatende experimentele inspanningen in de afgelopen drie decennia, vaste H ₂ is gecomprimeerd tot een druk van bijna 400 GPa (ongeveer de druk in het centrum van de aarde), en zes hogedruk moleculaire fasen boven 100 GPa zijn geïdentificeerd op basis van spectroscopische waarnemingen zonder adequate structurele beperkingen.

Door nieuwe technische ontwikkeling op maat voor ultrahogedruk waterstof, we hebben uiteindelijk röntgendiffractie (XRD) gegevens verkregen van waterstoffasen I, III en IV tot 254 GPa. Verrassend genoeg, deze fasen vertonen geen verschillende kristalsymmetrieën, maar ze blijven allemaal in de hexagonale dichtgepakte (hcp) structuur met drastische vermindering van de c/a axiale verhouding ten opzichte van het ideale hcp-rooster. Onze studie suggereert dat enorme vervorming van de hcp Brillouin-zone leidt tot een reeks elektronische topologische overgangsfasen (ETT) voorafgaand aan de sluiting van de waterstofband. Het is de eerste keer dat dit voor waterstof is waargenomen.

Dit bracht het team onder leiding van professor Rajeev Ahuja ertoe om systematische computerexperimenten uit te voeren op basis van de modernste eerste-principemethoden om ETT te bestuderen. De bevindingen komen uitstekend overeen met experimentele waarnemingen en maakten zelfs de voorspelling mogelijk dat de metallische fase van waterstof via veel tussenliggende ETT's gaat. De uitgebreide simulaties zijn uitgevoerd met behulp van bronnen die beschikbaar zijn gesteld door de Swedish National Infrastructure for Computing (SNIC) bij NSC.

"ETT in waterstof vertegenwoordigt een buitengewoon belangrijke ontdekking, " zegt professor Ahuja. "Onze resultaten kunnen worden gezien als een belangrijke vooruitgang in de experimentele en theoretische zoektocht naar metallische en zelfs supergeleidende waterstof binnen een hanteerbaar drukregime."