科研進展丨固體所發現同位素效應引起的氫氘混合物新相變行為

       氫的同位素氘（D），其與氫的質量比（為2）比周期表中其它元素都大，且氫和氘的零點能差別很大，因此存在強烈的同位素效應。氫分子（H2）是費米子，需要滿足反對稱的波函數。氘分子（D2）是波色子，需要滿足對稱的波函數；然而由於氫氘分子（HD）不是全同粒子，不受交換對稱性限制，所以核自旋方向對能級排布沒有影響。上述特徵將會對氫、氘和氫氘的相圖及性質有很大影響。氫和氘看似簡單，卻在高壓下展示出極為複雜的相圖，目前已經報導了氫的相I至相V五個高壓固態相。其中，氫和氘的高壓低溫相相II由於其具有特殊的量子效應和同位素效應，呈現出不同的相圖和行為（我們前期的工作中已有報導：Phys. Rev. Lett. 119, 065301 (2017)）。而氫氘混合物在高壓低溫下的相圖尤其是相II還有待進一步探索。

       研究團隊在高壓下快速獲得了氫氘混合物（H2+D2+HD），並利用自主搭建的高壓低溫原位物性測試系統，研究了氫氘混合物壓力高至200 GPa溫度低至10 K的超高壓低溫拉曼光譜，發現在氫氘混合物中氫、氘和氫氘呈現類似於分子固溶體的行為，同時發生相變。純氫進入相II的壓力為60 GPa，而純氘進入相II的壓力為20 GPa，由於氫氘混合物的質量處於氫和氘之間，通常會認為氫氘混合物進而相II的壓力會處於純氫和純氘之間。然而有趣的是，團隊發現氫氘混合物進入相II和相III的壓力既高於氘也高於氫，這是由交換相互作用對高能態量子捕獲引起的。HD分子不存在交換對稱性，從而使HD分子處於能量穩定的基態。而純氫分子，氘分子均受交換對稱性的限制，使得有些分子被囚禁到了高的轉動能態，這種高的轉動能使得體系不穩定，因此會在較低的壓力條件下發生相變到穩定的相。研究團隊繪製了寬壓力-溫度範圍的不同比例氫氘混合物的高壓低溫相圖，發現混合物中相變壓力隨著氫的比例增加而增大。此工作對於理解氫、氘、氫氘混合物的相圖、氫和氘的同位素效應和量子效應都具有重要作用。

       該工作得到國家自然科學基金、中科院創新基金、挑戰計劃、研究院院長基金等項目支持。