En utilisant une technique synchrotron de pointe nouvellement développée, un groupe de scientifiques dirigé par le Dr Ho-kwang Mao, Directeur de HPSTAR, a mené la toute première étude à haute pression de l'information électronique sur la bande et l'espace de l'hydrogène solide jusqu'à 90 GPa. Leur résultat innovant de diffusion des rayons X inélastique à haute pression sert de test pour la mesure directe du processus de métallisation de l'hydrogène et ouvre la possibilité de résoudre les dispersions électroniques de l'hydrogène dense. Ce travail est publié dans un numéro récent de Lettres d'examen physique .

L'évolution induite par la pression de la bande électronique de l'hydrogène d'un isolant à large intervalle à un métal à intervalle fermé, ou de l'hydrogène métallique, est un problème de longue date en physique moderne. Cependant, L'énergie remarquablement élevée de l'hydrogène a déjà empêché l'observation directe de la bande interdite électronique sous pression. Sondes existantes, comme la conductivité électrique, absorption optique, ou des mesures de spectroscopie de réflexion, sont limités et fournissent peu d'informations sur un isolant à large écart. "Toutes les études précédentes de la bande interdite dans l'hydrogène isolant sous compression étaient basées sur un schéma indirect utilisant des mesures optiques, " explique le Dr Mao.

L'équipe a utilisé la haute brillance, rayonnement synchrotron à haute énergie pour développer une sonde à rayons X inélastique (IXS), fournissant des informations de bande électronique d'hydrogène in situ sous haute pression dans une cellule à enclume de diamant (DAC). "Le développement de notre technique DAC-IXS pour ce projet a nécessité une équipe internationale de nombreux experts en spectroscopie synchrotron inélastique des rayons X, instrumentation, et techniques ultra-haute pression sur cinq ans à compléter, " a déclaré le Dr Bing Li, le premier auteur.

"Réellement, le vrai début de ce projet remonte à plus de 20 ans, et ces résultats sont le point culminant de toute cette préparation et expérimentation. Véritable témoignage des efforts et des talents énormes de l'équipe impliquée, " a déclaré le Dr Mao. La nouvelle technique de la sonde IXS a permis de mesurer une gamme d'énergie UV inaccessible et étendue de 45 eV, montrant comment la densité d'états électroniques et la bande interdite de l'hydrogène dense évoluent avec la pression. La bande interdite électronique a diminué linéairement de 10,9 eV à 6,57 eV, avec une densification de 8,6 fois de la pression nulle jusqu'à 90 GPa.

Ces développements dans les capacités synchrotron de pointe avec des sondes à rayons X à l'échelle submicronique à nanométrique ne feront qu'étendre les futures possibilités expérimentales. Les progrès de l'IXS à des pressions plus élevées pourraient mettre la région semi-conductrice des phases II-V à portée de main et permettre l'étude de la métallisation de l'hydrogène par des mesures électroniques directes et quantitatives de bande interdite.

Ce travail surmonte de formidables défis techniques, réaliser pour la première fois des mesures expérimentales directes de la bande électronique de l'hydrogène et de son gap.