Første direkte båndgab-målinger af bred-gab-brint ved hjælp af uelastisk røntgenspredning

Ved at bruge en nyudviklet state-of-the-art synkrotronteknik, en gruppe videnskabsmænd ledet af Dr. Ho-kwang Mao, Direktør for HPSTAR, gennemførte den første højtryksundersøgelse nogensinde af det elektroniske bånd og gap-information for fast brint op til 90 GPa. Deres innovative højtryks uelastiske røntgenspredningsresultat tjener som en test til direkte måling af processen med brintmetallisering og åbner mulighed for at løse de elektroniske dispersioner af tæt brint. Dette arbejde er offentliggjort i et nyligt nummer af Fysisk gennemgangsbreve .

Den trykinducerede udvikling af brints elektroniske bånd fra en bred spalteisolator til et lukket spaltemetal, eller metallisk brint, har været et langvarigt problem i moderne fysik. Imidlertid, brints bemærkelsesværdigt høje energi har forhindret det elektroniske båndgab i at blive direkte observeret under tryk før. Eksisterende sonder, såsom elektrisk ledningsevne, optisk absorption, eller reflektionsspektroskopi målinger, er begrænsede og giver kun få oplysninger om en bred isolator. "Alle tidligere undersøgelser af båndgabet i isolerende brint under kompression var baseret på et indirekte skema ved hjælp af optiske målinger, " forklarer Dr. Mao.

Holdet brugte høj glans, højenergi synkrotronstråling for at udvikle en uelastisk røntgensonde (IXS) giver elektronisk båndinformation af brint in situ under højt tryk i en diamantamboltcelle (DAC). "Udviklingen af ​​vores DAC-IXS-teknik til dette projekt tog et internationalt team af mange eksperter i synkrotron uelastisk røntgenspektroskopi, instrumentering, og ultrahøjtryksteknikker over fem år at gennemføre, " sagde Dr. Bing Li, den første forfatter.

"Rent faktisk, den egentlige begyndelse af dette projekt kan spores mere end 20 år tilbage, og disse resultater er kulminationen på al den forberedelse og eksperimentering. Et sandt vidnesbyrd om det involverede teams enorme indsats og talenter, " sagde Dr. Mao. Den nye IXS-sondeteknik gjorde det muligt at måle et utilgængeligt og omfattende UV-energiområde på 45 eV, viser, hvordan tæt brints elektroniske ledtæthed af tilstande og båndgab udvikler sig med trykket. Det elektroniske båndgab faldt lineært fra 10,9 eV til 6,57 eV, med en 8,6 gange fortætning fra nul tryk op til 90 GPa.

Disse udviklinger i state-of-the-art synkrotron-kapaciteter med submikron til nanometer-skalerede røntgenprober vil kun udvide fremtidige eksperimentelle muligheder. Fremskridt af IXS til højere tryk kunne placere det halvledende område af fase II-V inden for rækkevidde og muliggøre studiet af hydrogenmetallisering gennem direkte og kvantitative elektroniske båndgab-målinger.

Dette arbejde overvinder formidable tekniske udfordringer, at opnå direkte eksperimentelle målinger af brints elektroniske bånd og dets kløft for første gang.