Molekylært hydrogen bliver semimetallisk ved tryk over 350 GPa

Ifølge forudsigelser af kondenseret stof fysik, ved et højt nok tryk, brint bør dissociere og omdannes til et atomart metal. Imidlertid, det nøjagtige trykområde, hvor dette sker, er endnu ikke blevet fastslået, og processen, hvorigennem brint bliver til et metal, er stadig noget uklar.

I en nylig undersøgelse, forskere ved Max Planck Institute of Chemistry viste, at ved et tryk på 350-360 GPa og ved temperaturer under 200K, molekylært hydrogen begynder at lede og bliver semimetallisk. Deres papir, udgivet i Naturfysik , giver interessant ny indsigt om overgangen af ​​brint ved høje tryk, afsløre nogle af de ejendomme, det erhverver.

"Typisk, metallisk brint anses for at være atomisk brint - en krystal bygget af protoner efter dissociation af molekylerne, "Mikhail Eremets, en af ​​de forskere, der har udført undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Imidlertid, brint kan også omdannes til et metal i molekylær tilstand - i dette tilfælde, elektroniske bånd af molekylær brintkrystal udvider sig og overlapper til sidst, så båndgabet lukkes, frie elektroner og huller opstår - dette er metallisk tilstand."

Den oprindelige tilstand, hvor de elektroniske bånd af molekylært brintkrystal overlapper hinanden, er kendt som semimetal. I denne tilstand, metallet har dårlig ledningsevne, da antallet af transportører er lavt. Hvis trykket øges yderligere, imidlertid, dette dårligt ledende metal bliver til et normalt metal og til sidst til atomart brint.

"Vores mål var at finde det tryk, ved hvilket metallisk elektrisk ledningsevne opstår, og hvis dette resulterer i et molekylært eller atomart metal, " sagde Eremets. "Vi udførte således elektriske målinger, da dette er den eneste metode, der direkte fortæller os, om brint leder, og om det er et metal. Et metal leder typisk til de laveste temperaturer; en halvleder kan også lede, men ved lavere temperaturer, ledningsevnen falder eksponentielt og forsvinder."

I deres eksperimenter, forskerne samlede Raman-målinger op til 480 GPa for at identificere ændringer, der finder sted i brint ved forskellige tryk. De fandt ud af, at brint begyndte at lede ved tryk over 360 GPa, men det forblev et halvmetal indtil 440 GPa.

For at indsamle Raman målinger, forskerne brugte små DAC'er med syntetiske diamanter. Disse diamanter har ekstremt lav luminescens selv ved tryk på ~500 GPa. Til elektriske målinger, på den anden side, de brugte fire elektriske ledninger sputtered på diamant ambolte, som var isoleret fra den metalliske pakning med et isolerende lag.

Samlet set, de målinger, de indsamlede, viste, at det semimetalliske hydrogen, der blev observeret i deres eksperimenter, er i molekylær tilstand. Disse fund bekræfter således deres hypotese om, at brint bliver et metal i dets molekylære tilstand.

"Over 360 GPa, elektrisk ledningsevne øges kraftigt med tryk, " Eremets forklarede. "Konduktiviteten faldt ikke eksponentielt med afkøling, indikerer, at brint ikke er en halvleder. På den anden side, det er ikke et godt metal, da ledningsevnen kun stiger lidt ved afkøling. En sådan adfærd er typisk for halvmetaller såsom vismut eller trykinducerede halvmetaller såsom oxygen eller xenon."

Samlet set, målingerne indsamlet af Eremets og hans kolleger giver bevis for, at semimetallisk brint forbliver i molekylær tilstand i det mindste op til et tryk på 440 GPa. Når trykket stiger over 440GPa, imidlertid, Raman-signalet, der udsendes af brinten, forsvinder, hvilket tyder på, at en yderligere transformation finder sted.

"Opnåelsen af ​​de nødvendige tryk over 350 GPa er en vanskelig opgave, " sagde Eremets. "Det afhænger af en række faktorer, først, af amboltenes geometri. Vi udførte mange forsøg på at nå multimegabar-trykket. Imidlertid, vi opnåede reproducerbare data."

Den nylige undersøgelse udført af Eremets og hans kolleger viser klart, at over ~360 GPa, brint bliver til et halvmetal i sin molekylære tilstand. Imidlertid, dette semimetalliske stof udviser en usædvanlig adfærd, som ikke stemmer overens med almindelige teoretiske forudsigelser om, at metallisk brint er i en atomart tilstand. Tværtimod, forskerne observerede, at brint skifter til et semimetallisk stof i dets molekylære tilstand.

"Vores resultater bør stimulere yderligere teoretiske og eksperimentelle værker om forståelsen af ​​den komplekse omdannelse af brint til metal, " sagde Eremets. "Vi planlægger nu at udvide vores elektriske målinger til højere tryk og finde superledning i metallisk brint."

© 2019 Science X Network