Gebruikmakend van een nieuw ontwikkelde state-of-the-art synchrotron-techniek, een groep wetenschappers onder leiding van Dr. Ho-kwang Mao, directeur van HPSTAR, voerde de allereerste hogedrukstudie uit van de elektronische band- en kloofinformatie van vaste waterstof tot 90 GPa. Het innovatieve resultaat van inelastische röntgenverstrooiing onder hoge druk dient als een test voor directe meting van het proces van waterstofmetallisatie en opent de mogelijkheid om de elektronische dispersies van dichte waterstof op te lossen. Dit werk is gepubliceerd in een recent nummer van Fysieke beoordelingsbrieven .

De drukgeïnduceerde evolutie van de elektronische band van waterstof van een isolator met een brede spleet naar een metaal met een gesloten spleet, of metallische waterstof, is al lang een probleem in de moderne natuurkunde. Echter, De opmerkelijk hoge energie van waterstof heeft ervoor gezorgd dat de elektronische band gap voorheen niet direct onder druk kon worden waargenomen. Bestaande sondes, zoals elektrische geleidbaarheid, optische absorptie, of reflectiespectroscopiemetingen, zijn beperkt en geven weinig informatie over een brede isolator. "Alle eerdere onderzoeken naar de band gap in isolerende waterstof onder compressie waren gebaseerd op een indirect schema met optische metingen, " legt dr. Mao uit.

Het team gebruikte hoogglans, hoogenergetische synchrotronstraling om een ​​inelastische röntgensonde (IXS) te ontwikkelen, het opleveren van elektronische bandinformatie van waterstof in situ onder hoge druk in een diamanten aambeeldcel (DAC). "Voor de ontwikkeling van onze DAC-IXS-techniek voor dit project was een internationaal team van vele experts in synchrotron-inelastische röntgenspectroscopie nodig, instrumentatie, en ultrahogedruktechnieken over een periode van vijf jaar om te voltooien, " zei dr. Bing Li, de eerste auteur.

"Werkelijk, het echte begin van dit project gaat meer dan 20 jaar terug, en deze resultaten zijn het hoogtepunt van al die voorbereiding en experimenten. Een waar bewijs van de enorme inspanningen en talenten van het betrokken team, " zei Dr. Mao. Met de nieuwe IXS-sondetechniek kon een ontoegankelijk en uitgebreid UV-energiebereik van 45 eV worden gemeten, laat zien hoe de elektronische gewrichtsdichtheid van waterstof en de bandafstand evolueren met druk. De elektronische band gap nam lineair af van 10,9 eV naar 6,57 eV, met een 8,6 keer verdichting van nuldruk tot 90 GPa.

Deze ontwikkelingen in state-of-the-art synchrotron-mogelijkheden met submicron tot nanometer-geschaalde röntgensondes zullen toekomstige experimentele mogelijkheden alleen maar uitbreiden. Vooruitgang van IXS naar hogere druk zou het halfgeleidende gebied van fasen II-V binnen bereik kunnen brengen en de studie van waterstofmetallisatie mogelijk maken door middel van directe en kwantitatieve elektronische bandafstandmetingen.

Dit werk overwint formidabele technische uitdagingen, voor het eerst directe experimentele metingen van de elektronische band van waterstof en zijn kloof.