Figur 1. Föreslagna lågtemperaturfasdiagram av tre representativa H2–D2-blandningar (H 2 :D 2 förhållanden på 75:25 =3:1, 50:50 =1:1, och 40:60 =2:3). Fas I visas i grönt, fas II visas i rött, och fas III visas i orange. Olika nyanser av färg i fas II och fas III representerar olika blandningskoncentrationer. De grå streckade linjerna representerar fasgränserna för de rena isotoperna. (Infälld) Utökat fasdiagram av den individuella 50:50-blandningen, visar insamlade datapunkter för isotermisk kompression och isobariska kylcykler. Kredit:LIU Xiaodi
Ett gemensamt team, medan du utforskar fasdiagram i tätt H 2 –HD–D 2 blandningar, har rapporterat en ny upptäckt där de hittade kontraintuitiva effekter av isotopdopning på fasdiagrammet för H 2 –HD–D 2 molekylär legering.
Detta arbete utfördes av en forskargrupp vid Institute of Solid State Physics, Hefei Institutes of Physical Science samarbetar med forskare från Centre for High Pressure Science &Technology Advanced Research och University of Edinburgh. Den publicerades i PNAS den 2 juni 2020.
Molekylärt väte bildar det arketypiska kvantfasta ämnet. Dess kvantkaraktär avslöjas genom klassiskt omöjligt beteende såväl som mycket starka isotopeffekter. Isotopeffekter mellan H 2 , D 2 , och HD-molekyler kommer från massskillnad och de olika kvantutbyteseffekterna:Fermionisk H 2 molekyler har antisymmetriska vågfunktioner, medan bosonisk D 2 molekyler har symmetriska vågfunktioner, och HD-molekyler har ingen utbytessymmetri.
För att undersöka hur fasdiagrammet beror på kvant-kärnkraftseffekter, det gemensamma teamet använde högtrycks- och lågtemperatur in situ Raman-spektroskopi för att kartlägga fasdiagrammen för H 2 –HD–D 2 med olika isotopkoncentrationer över ett brett P-T-intervall.
När väte och deuterium blandades, de bildade H 2 + HD + D 2 blandningar vid mycket låga tryck och rumstemperatur.
De fann att blandningar av H 2 , HD, och D. 2 uppförde sig som en isotopisk molekylär legering (ideallösning) och uppvisade symmetribrytande fasövergångar mellan faserna I och II och fas III.
I deras experiment, forskarna blev förvånade över att alla övergångar skedde vid högre tryck för legeringarna än för antingen rent H 2 eller D 2 . Detta stred mot eventuella kvanteffekter baserade på isotopmassa men kunde förklaras av kvantinfångning av högkinetiska energitillstånd genom utbytesinteraktionen.
"Eftersom HD har en mellanmassa och utbredd komponent i dessa legeringar, man skulle förvänta sig att med dess additionsfas skulle övergångar ske vid mellanliggande PT-regimer, " sa den ledande forskaren i denna studie, "Skillnaden från den mer klassiska förståelsen av molekylära fasdiagram, härrör från kvantnaturen hos själva vätemolekylerna, där utbytes-symmetri i själva verket kan fånga molekylerna i olika, högre energitillstånd."
"HD-molekyler har ingen utbytessymmetri, vid låg temperatur kommer alla HD-molekyler att vara i det lägsta energitillståndet. Dock, rent H 2 och D 2 har utbytesymmetri, så några av molekylerna skulle fastna i de högre energitillstånden. Så den fångade kinetiska energin är lägre i blandningar än i båda de rena elementen, och det skiftar fasövergången till högre tryck i blandningar, "sa Liu Xiaodi, tidningens första författare.
