科學家發現氫和氘的高壓新相圖

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經過一個多世紀的研究，位為元素周期表中的第一個元素－氫的溫度和壓力相圖本以為已基本確立，新的研究發現，在低溫和高壓區域，作為氫同位素的氘還存在一個尚未揭示的第二新相II ，這個相異於熟悉的第二相，這項研究也修改了氫和氘在廣泛壓力溫度範圍的第一(I)、二(II)、三(III)相存在的邊界，一個更為全面廣泛的相圖因而被建立了起來。這些發現於8月7日在國際著名物理學期刊 《物理評論快報》［Physical Review Letters 119, 065301 (2017)］上在線發表 （鏈接https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.119.065301）。

氫以及其同位素是唯一一個在元素周期表中可以用量子力學嚴格求解的元素，也是科學和技術發展最為關注的元素。作為清潔能源，它與氧化學反應生成水，因此在能源發展上具有優勢和潛力。它在壓縮狀態下可以作為火箭的推進劑，其在高溫高壓下形成的金屬形態可以為行星周圍磁場的形成提供解釋。理論上早已預言金屬氫是一個室溫或高溫超導體，若能夠實現可能帶來新的技術革命，這個超導體在低溫狀態下被認為可能存在一個新的超流物質態。隨著低溫和高壓技術的發展，經過一個多世紀的努力，氫與其同位素的I、II、III相的相圖本已被廣泛接受，其第四(IV)相和第五(V)相在2012和2016年也相繼被發現。然而，新的實驗發現具有強烈量子效應的相II區域仍存在尚未被觸及的新現象，待於深入研究，以理解氫與其同位素從弱分子間力的高壓相I，II，III到強分子間相互作用力的高壓相IV，V的演化關係。

氫氘的相圖以及在氘中發現了新相II 存在區域

北京高壓科學研究中心Ross Howie、陳曉嘉、Eugene Gregoryanz三位研究員與中國科學院固體物理研究所的研究人員一起，利用高壓低溫拉曼光譜系統，獲得了氫和氘在壓力（0-200 GPa）和溫度（4-300 K）範圍內的一系列等溫變壓和等壓變溫拉曼光譜。分析發現，氫的同位素氘的振動頻率隨溫度變化中出現與早前熟知的第二相(II)不同的特徵, 這個新相存在於25-110 GPa之間低於125 K的低溫區域，但在相同溫度壓力條件下在氫中並沒有觀察到此相，使得氘II 相成為目前唯一一個氫氘不共有的低溫相。氘II 相的出現，推測是量子效應的結果，由於氘相對與氫較低的零點能以及分子間強的相互作用而導致複雜的轉動運動。另外， 研究還獲得了氫和氘的相I到相II轉變，相II到相III轉變的證據，得到了精確的氫和氘相I、II和III的相邊界，更新了氫和氘的高壓低溫相圖。 此研究是三十多年來氫氘在中壓低溫區研究的一大突破，對於理解氫的高壓相圖、相II中的量子效應等具有重要意義。

這項研究工作得到了中組部千人計劃項目和國家外國專家局的項目資助。

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