Utilizando una técnica de sincrotrón de última generación recientemente desarrollada, un grupo de científicos dirigido por el Dr. Ho-kwang Mao, Director de HPSTAR, llevó a cabo el primer estudio de alta presión de la banda electrónica y la información de brecha del hidrógeno sólido hasta 90 GPa. Su innovador resultado de dispersión de rayos X inelástica a alta presión sirve como prueba para la medición directa del proceso de metalización del hidrógeno y abre la posibilidad de resolver las dispersiones electrónicas del hidrógeno denso. Este trabajo se publica en un número reciente de Cartas de revisión física .

La evolución inducida por la presión de la banda electrónica del hidrógeno de un aislante de amplio espacio a un metal de espacio cerrado, o hidrógeno metálico, ha sido un problema de larga data en la física moderna. Sin embargo, La energía notablemente alta del hidrógeno ha impedido que la banda prohibida electrónica se observe directamente bajo presión antes. Sondas existentes, como la conductividad eléctrica, absorción óptica, o mediciones de espectroscopia de reflexión, son limitados y proporcionan poca información sobre un aislante de gran espacio. "Todos los estudios previos de la banda prohibida en el aislamiento de hidrógeno bajo compresión se basaron en un esquema indirecto utilizando medidas ópticas, "explica el Dr. Mao.

El equipo utilizó alto brillo, Radiación de sincrotrón de alta energía para desarrollar una sonda de rayos X inelástica (IXS), proporcionando información de banda electrónica de hidrógeno in situ a alta presión en una celda de yunque de diamante (DAC). "El desarrollo de nuestra técnica DAC-IXS para este proyecto requirió un equipo internacional de muchos expertos en espectroscopia de rayos X inelástica de sincrotrón, instrumentación, y técnicas de ultra alta presión durante cinco años para completar, "dijo el Dr. Bing Li, el primer autor.

"Realmente, el verdadero comienzo de este proyecto se remonta a más de 20 años, y estos resultados son la culminación de toda esa preparación y experimentación. Un verdadero testimonio de los enormes esfuerzos y talentos del equipo involucrado, ", dijo el Dr. Mao. La novedosa técnica de la sonda IXS permitió medir un rango de energía ultravioleta inaccesible y extenso de 45 eV, mostrando cómo la densidad conjunta electrónica de estados del hidrógeno denso y la banda prohibida evolucionan con la presión. La banda prohibida electrónica disminuyó linealmente de 10,9 eV a 6,57 eV, con una densificación de 8,6 veces desde presión cero hasta 90 GPa.

Estos desarrollos en las capacidades de sincrotrón de última generación con sondas de rayos X de escala submicrónica a nanométrica solo ampliarán las posibilidades experimentales futuras. Los avances de IXS a una presión más alta podrían poner la región semiconductora de las fases II-V al alcance y permitir el estudio de la metalización del hidrógeno a través de mediciones de banda prohibida electrónicas directas y cuantitativas.

Este trabajo supera formidables desafíos técnicos, logrando mediciones experimentales directas de la banda electrónica del hidrógeno y su brecha por primera vez.