Forskere opdager symmetri-brydende faseovergange efter isotopisk doping

Et fælles hold, mens du udforsker fasediagrammer i tæt H ₂ –HD–D ₂ blandinger, har rapporteret en ny opdagelse, hvor de fandt kontraintuitive virkninger af isotopisk doping på fasediagrammet af H ₂ –HD – D ₂ molekylær legering.

Dette arbejde blev udført af et forskerhold ved Institute of Solid State Physics, Hefei Institutes of Physical Science samarbejder med forskere fra Center for High Pressure Science &Technology Advanced Research og University of Edinburgh. Den blev udgivet i PNAS den 2. juni 2020.

Molekylær brint danner det arketypiske kvantefaststof. Dens kvante natur afsløres ved klassisk umulig adfærd såvel som ved meget stærke isotopeffekter. Isotopvirkninger mellem H ₂ , D ₂ , og HD-molekyler kommer fra masseforskel og de forskellige kvanteudvekslingseffekter:Fermionisk H ₂ molekyler har antisymmetriske bølgefunktioner, mens bosonisk D ₂ molekyler har symmetriske bølgefunktioner, og HD-molekyler har ingen udvekslingssymmetri.

For at undersøge, hvordan fasediagrammet afhænger af kvante-nukleare effekter, det fælles team brugte højtryks- og lavtemperatur in situ Raman-spektroskopi til at kortlægge fasediagrammerne for H ₂ –HD–D ₂ med forskellige isotopkoncentrationer over et bredt P-T-interval.

Når hydrogen og deuterium blev blandet, de dannede H ₂ + HD + D ₂ blandinger ved meget lave tryk og stuetemperatur.

De fandt ud af, at blandinger af H ₂ , HD, og D ₂ opførte sig som en isotopisk molekylær legering (ideal opløsning) og udviste symmetribrydende faseovergange mellem fase I og II og fase III.

I deres eksperiment, forskerne var overraskede over at opdage, at alle overgange skete ved højere tryk for legeringerne end for enten rent H ₂ eller D ₂ . Dette var i modstrid med enhver kvanteeffekt baseret på isotopmasse, men kunne forklares ved kvantefangst af højkinetiske energitilstande ved udvekslingsinteraktionen.

"Da HD har en mellemliggende masse og udbredt komponent i disse legeringer, man ville forvente, at med dens tilføjelse ville faseovergange forekomme ved mellemliggende P-T-regimer, " sagde den førende videnskabsmand i denne undersøgelse, "Afvigelsen fra den mere klassiske forståelse af molekylære fasediagrammer, stammer fra kvantetypen af ​​selve brintmolekylerne, hvor udvekslingssymmetrien faktisk kan fange molekylerne i forskellige, højere energitilstande."

"HD-molekyler har ingen udvekslingssymmetri, ved lav temperatur vil alle HD-molekyler være i den laveste energitilstand. Imidlertid, ren H ₂ og D ₂ har udvekslingssymmetri, så nogle af molekylerne ville blive fanget i de højere energitilstande. Så den fangede kinetiske energi er lavere i blandinger end i begge rene grundstoffer, og det skifter faseovergangen til højere tryk i blandinger, "sagde Liu Xiaodi, den første forfatter til papiret.