Figura 1. Diagramas de fase de baja temperatura propuestos de tres mezclas representativas de H2-D2 (H 2 :D 2 proporciones de 75:25 =3:1, 50:50 =1:1, y 40:60 =2:3). La fase I se muestra en verde, la fase II se muestra en rojo, y la fase III se muestra en naranja. Los diferentes tonos de color en la fase II y la fase III representan diferentes concentraciones de mezcla. Las líneas de trazos grises representan los límites de fase de los isótopos puros. (Recuadro) Diagrama de fase extendido de la mezcla individual 50:50, mostrando los puntos de datos recopilados para la compresión isotérmica y los ciclos de enfriamiento isobárico. Crédito:LIU Xiaodi
Un equipo conjunto, mientras explora los diagramas de fase en densos H 2 –HD – D 2 mezclas, ha informado de un nuevo descubrimiento en el que encontraron efectos contradictorios del dopaje isotópico en el diagrama de fase de H 2 –HD – D 2 aleación molecular.
Este trabajo fue realizado por un equipo de investigación del Instituto de Física del Estado Sólido, Los Institutos de Ciencias Físicas de Hefei colaboran con investigadores del Centro de Investigación Avanzada en Ciencia y Tecnología de Alta Presión y la Universidad de Edimburgo. Fue publicado en PNAS el 2 de junio de 2020.
El hidrógeno molecular forma el sólido cuántico arquetípico. Su naturaleza cuántica se revela por un comportamiento clásicamente imposible, así como por efectos isotópicos muy fuertes. Efectos isotópicos entre H 2 , D 2 , y las moléculas de HD provienen de la diferencia de masa y los diferentes efectos de intercambio cuántico:Fermiónico H 2 las moléculas tienen funciones de onda antisimétricas, mientras que bosonic D 2 las moléculas tienen funciones de onda simétricas, y las moléculas de HD no tienen simetría de intercambio.
Para investigar cómo el diagrama de fases depende de los efectos cuántico-nucleares, El equipo conjunto utilizó espectroscopía Raman in situ de alta presión y baja temperatura para trazar los diagramas de fase de H 2 –HD – D 2 con varias concentraciones de isótopos en un amplio rango de P-T.
Cuando se mezclaron hidrógeno y deuterio, ellos formaron H 2 + HD + D 2 mezclas a muy bajas presiones y temperatura ambiente.
Encontraron que las mezclas de H 2 , HD, y D 2 se comportó como una aleación molecular isotópica (solución ideal) y exhibió transiciones de fase que rompen la simetría entre las fases I y II y la fase III.
En su experimento, Los investigadores se sorprendieron al encontrar que todas las transiciones ocurrieron a presiones más altas para las aleaciones que para H puro 2 o D 2 . Esto va en contra de cualquier efecto cuántico basado en la masa de isótopos, pero podría explicarse por el atrapamiento cuántico de estados de alta energía cinética por la interacción de intercambio.
"Dado que HD tiene una masa intermedia y un componente predominante en estas aleaciones, uno esperaría que con su fase de adición ocurrieran transiciones en regímenes P-T intermedios, "dijo el científico principal de este estudio, "La discrepancia con la comprensión más clásica de los diagramas de fase molecular, deriva de la naturaleza cuántica de las propias moléculas de hidrógeno, donde la simetría de intercambio puede en efecto atrapar las moléculas en diferentes, estados de mayor energía ".
"Las moléculas de HD no tienen simetría de intercambio, a baja temperatura, todas las moléculas de HD estarán en el estado de energía más bajo. Sin embargo, pura H 2 y D 2 tener simetría de intercambio, por lo que algunas de las moléculas quedarían atrapadas en los estados de mayor energía. Entonces, la energía cinética atrapada es menor en las mezclas que en los elementos puros, y cambia la transición de fase a una presión más alta en mezclas, "dijo Liu Xiaodi, el primer autor del artículo.
