Een gezamenlijk team, tijdens het verkennen van fasediagrammen in dichte H ₂ –HD–D ₂ mengsels, heeft een nieuwe ontdekking gemeld waarin ze contra-intuïtieve effecten van isotopische doping op het fasediagram van H . vonden ₂ –HD–D ₂ moleculaire legering.

Dit werk werd uitgevoerd door een onderzoeksteam van het Institute of Solid State Physics, Hefei Institutes of Physical Science werkt samen met onderzoekers van het Center for High Pressure Science &Technology Advanced Research en de Universiteit van Edinburgh. Het is gepubliceerd in PNAS op 2 juni 2020.

Moleculaire waterstof vormt de archetypische kwantumvaste stof. Zijn kwantumkarakter wordt onthuld door klassiek onmogelijk gedrag en door zeer sterke isotoopeffecten. Isotopeneffecten tussen H ₂ , NS ₂ , en ZvH-moleculen komen voort uit massaverschil en de verschillende kwantumuitwisselingseffecten:Fermionic H ₂ moleculen hebben antisymmetrische golffuncties, terwijl bosonische D ₂ moleculen hebben symmetrische golffuncties, en ZvH-moleculen hebben geen uitwisselingssymmetrie.

Om te onderzoeken hoe het fasediagram afhangt van quantum-nucleaire effecten, het gezamenlijke team gebruikte hogedruk- en lagetemperatuur-in-situ Raman-spectroscopie om de fasediagrammen van H in kaart te brengen ₂ –HD–D ₂ met verschillende isotopenconcentraties over een breed P-T-bereik.

Toen waterstof en deuterium werden gemengd, zij vormden H ₂ + HD + D ₂ mengsels bij zeer lage drukken en kamertemperatuur.

Ze ontdekten dat mengsels van H ₂ , HD, en D ₂ gedroeg zich als een isotopische moleculaire legering (ideale oplossing) en vertoonde symmetrie-brekende faseovergangen tussen fase I en II en fase III.

In hun experiment hebben de onderzoekers waren verrast om te ontdekken dat alle overgangen plaatsvonden bij hogere drukken voor de legeringen dan voor zowel pure H ₂ of D ₂ . Dit druiste in tegen eventuele kwantumeffecten op basis van isotopenmassa, maar kon worden verklaard door kwantumvangst van hoog-kinetische energietoestanden door de uitwisselingsinteractie.

"Aangezien HD een tussenliggende massa heeft en een veel voorkomend bestanddeel in deze legeringen, men zou verwachten dat met zijn toevoeging faseovergangen zouden optreden bij tussenliggende PT-regimes, " zei de leidende wetenschapper van deze studie, "De discrepantie van het meer klassieke begrip van moleculaire fasediagrammen, komt voort uit de kwantumaard van de waterstofmoleculen zelf, waar de uitwisselingssymmetrie de moleculen in feite in verschillende, hogere energietoestanden."

"HD-moleculen hebben geen uitwisselingssymmetrie, bij lage temperatuur zullen alle ZvH-moleculen in de laagste energietoestand zijn. Echter, pure H ₂ en D ₂ wisselsymmetrie hebben, dus sommige moleculen zouden vast komen te zitten in de hogere energietoestanden. Dus de opgesloten kinetische energie is lager in mengsels dan in beide zuivere elementen, en het verschuift de faseovergang naar hogere druk in mengsels, " zei Liu Xiaodi, de eerste auteur van het artikel.