近期，中科院合肥研究院固體所極端環(huán)境量子物質(zhì)中心團隊劉曉迪副研究員與北京高壓科學(xué)中心、英國愛(ài)丁堡大學(xué)的研究人員合作，利用金剛石對頂砧高壓技術(shù)研究了高壓下氫氘混合物的物性，在氫氘混合物中發(fā)現了同位素效應引起的氫氘混合物新相變行為，相關(guān)研究成果以“Counterintuitive effects of isotopic doping on the phase diagram of H2–HD–D2 molecular alloy”為題發(fā)表在美國科學(xué)院院刊PNAS。劉曉迪為文章的第一作者和共同通訊作者。
氫的同位素氘（D），其與氫的質(zhì)量比（為2）比周期表中其它元素都大，且氫和氘的零點(diǎn)能差別很大，因此存在強烈的同位素效應。氫分子（H2）是費米子，需要滿(mǎn)足反對稱(chēng)的波函數。氫原子核是費米子，因此氫分子（H2）的核波函數要滿(mǎn)足交換反對稱(chēng)性。氘原子核是玻色子，氘分子（D2）的核波函數要滿(mǎn)足交換對稱(chēng)性。上述特征將會(huì )對氫、氘和氫氘的相圖及性質(zhì)有很大影響。氫和氘看似簡(jiǎn)單，卻在高壓下展示出極為復雜的相圖，目前已經(jīng)報道了氫的相I至相V五個(gè)高壓固態(tài)相。其中，氫和氘的高壓低溫相相II由于其具有特殊的量子效應和同位素效應，呈現出不同的相圖和行為。而氫氘混合物在高壓低溫下的相圖尤其是相II還有待進(jìn)一步探索。
研究團隊在高壓下快速獲得了氫氘混合物（H2+D2+HD），并利用自主搭建的高壓低溫原位物性測試系統，研究了氫氘混合物壓力高至200 GPa溫度低至10 K的超高壓低溫拉曼光譜，發(fā)現在氫氘混合物中氫、氘和氫氘呈現類(lèi)似于分子固溶體的行為，同時(shí)發(fā)生相變。純氫進(jìn)入相II的壓力為60 GPa，而純氘進(jìn)入相II的壓力為20 GPa，由于氫氘混合物的質(zhì)量處于氫和氘之間，通常會(huì )認為氫氘混合物進(jìn)而相II的壓力會(huì )處于純氫和純氘之間。然而有趣的是，團隊發(fā)現氫氘混合物進(jìn)入相II和相III的壓力既高于氘也高于氫，這是由交換相互作用對高能態(tài)量子捕獲引起的。HD分子不存在交換對稱(chēng)性，從而使HD分子處于能量穩定的基態(tài)。而純氫分子，氘分子均受交換對稱(chēng)性的限制，使得有些分子被囚禁到了高的轉動(dòng)能態(tài)，這種高的轉動(dòng)能使得體系不穩定，因此會(huì )在較低的壓力條件下發(fā)生相變到穩定的相。研究團隊繪制了寬壓力-溫度范圍的不同比例氫氘混合物的高壓低溫相圖，發(fā)現混合物中相變壓力隨著(zhù)氫的比例增加而增大。此工作對于理解氫、氘、氫氘混合物的相圖、氫和氘的同位素效應和量子效應都具有重要作用。
該工作得到國家自然科學(xué)基金、中科院創(chuàng )新基金、挑戰計劃、研究院院長(cháng)基金等項目支持。
文章連接：https://doi.org/10.1073/pnas.2001128117
圖1. 三種典型比例的氫氘混合物（氫和氘的比例分別為 75:25 = 3:1，50:50 = 1:1和 40:60 = 2:3）的高壓低溫相圖，以及純氫H2（灰色虛線(xiàn)）和純氘D2（黑色點(diǎn)線(xiàn)）的高壓低溫相圖。
圖2. 三種不同比例的氫氘混合物（氫和氘的比例分別為 75:25 = 3:1，50:50 = 1:1和 40:60 = 2:3）的高壓低溫拉曼光譜，溫度在10-20 K之間，壓力在0-200 GPa之間。
