Une équipe commune, en explorant les diagrammes de phases en H dense 2 –HD–D 2 mélanges, a rapporté une nouvelle découverte dans laquelle ils ont trouvé des effets contre-intuitifs du dopage isotopique sur le diagramme de phase de H 2 –HD–D 2 alliage moléculaire.

Ce travail a été mené par une équipe de recherche de l'Institut de Physique du Solide, Les instituts des sciences physiques de Hefei collaborent avec des chercheurs du Centre for High Pressure Science &Technology Advanced Research et de l'Université d'Édimbourg. Il a été publié en PNAS le 2 juin 2020.

L'hydrogène moléculaire forme l'archétype du solide quantique. Sa nature quantique est révélée par un comportement classiquement impossible ainsi que par des effets isotopiques très forts. Effets isotopiques entre H 2 , ré 2 , et les molécules HD proviennent de la différence de masse et des différents effets d'échange quantique :Fermionic H 2 les molécules ont des fonctions d'onde antisymétriques, tandis que bosonique D 2 les molécules ont des fonctions d'onde symétriques, et les molécules HD n'ont pas de symétrie d'échange.

Pour étudier comment le diagramme de phase dépend des effets nucléaires quantiques, l'équipe conjointe a utilisé la spectroscopie Raman in situ à haute pression et basse température pour cartographier les diagrammes de phase de H 2 –HD–D 2 avec diverses concentrations d'isotopes sur une large plage P-T.

Lorsque l'hydrogène et le deutérium ont été mélangés, ils ont formé H 2 + HD + D 2 mélanges à très basses pressions et à température ambiante.

Ils ont découvert que les mélanges de H 2 , HD, et D 2 se comportait comme un alliage moléculaire isotopique (solution idéale) et présentait des transitions de phase à rupture de symétrie entre les phases I et II et la phase III.

Dans leur expérience, les chercheurs ont été surpris de constater que toutes les transitions se produisaient à des pressions plus élevées pour les alliages que pour l'H pur 2 ou D 2 . Cela allait à l'encontre de tout effet quantique basé sur la masse isotopique, mais pourrait s'expliquer par le piégeage quantique d'états à haute énergie cinétique par l'interaction d'échange.

« Comme le HD a une masse intermédiaire et un composant prédominant dans ces alliages, on s'attendrait à ce qu'avec son ajout, des transitions de phase se produisent à des régimes intermédiaires P-T, " a déclaré le scientifique principal de cette étude, "L'écart par rapport à la compréhension plus classique des diagrammes de phases moléculaires, dérive de la nature quantique des molécules d'hydrogène elles-mêmes, où la symétrie d'échange peut en effet piéger les molécules dans différentes, états d'énergie plus élevés."

"Les molécules HD n'ont pas de symétrie d'échange, à basse température, toutes les molécules HD seront dans l'état d'énergie le plus bas. Cependant, H pur 2 et D 2 avoir une symétrie d'échange, ainsi, certaines molécules seraient piégées dans les états d'énergie les plus élevés. Ainsi, l'énergie cinétique piégée est plus faible dans les mélanges que dans les éléments purs, et il décale la transition de phase vers une pression plus élevée dans les mélanges, " a déclaré Liu Xiaodi, le premier auteur de l'article.