Figura 1. Diagramas de fase de baixa temperatura propostos de três misturas representativas de H2-D2 (H 2 :D 2 proporções de 75:25 =3:1, 50:50 =1:1, e 40:60 =2:3). A Fase I é mostrada em verde, a fase II é mostrada em vermelho, e a fase III é mostrada em laranja. Diferentes tons de cor na fase II e na fase III representam diferentes concentrações de mistura. As linhas tracejadas cinza representam os limites de fase dos isótopos puros. (Inserção) Diagrama de fase estendido da mistura individual de 50:50, mostrando pontos de dados coletados para compressão isotérmica e ciclos de resfriamento isobárico. Crédito:LIU Xiaodi
Uma equipe conjunta, ao explorar diagramas de fase em H denso 2 –HD – D 2 misturas, relatou uma nova descoberta em que encontraram efeitos contra-intuitivos do doping isotópico no diagrama de fase de H 2 –HD – D 2 liga molecular.
Este trabalho foi conduzido por uma equipe de pesquisa do Instituto de Física do Estado Sólido, Hefei Institutes of Physical Science colaborando com pesquisadores do Centro de Pesquisa Avançada de Ciência e Tecnologia de Alta Pressão e da Universidade de Edimburgo. Foi publicado em PNAS em 2 de junho de 2020.
O hidrogênio molecular forma o sólido quântico arquetípico. Sua natureza quântica é revelada por um comportamento classicamente impossível, bem como por efeitos de isótopos muito fortes. Efeitos isotópicos entre H 2 , D 2 , e as moléculas de HD vêm da diferença de massa e dos diferentes efeitos de troca quântica:Fermionic H 2 moléculas têm funções de onda anti-simétricas, enquanto bosônico D 2 moléculas têm funções de onda simétricas, e as moléculas de HD não têm simetria de troca.
Para investigar como o diagrama de fase depende dos efeitos quânticos-nucleares, a equipe conjunta usou espectroscopia Raman in situ de alta pressão e baixa temperatura para mapear os diagramas de fase de H 2 –HD – D 2 com várias concentrações de isótopos em uma ampla faixa de P-T.
Quando o hidrogênio e o deutério foram misturados, eles formaram H 2 + HD + D 2 misturas a pressões muito baixas e à temperatura ambiente.
Eles descobriram que as misturas de H 2 , HD, e D 2 comportou-se como uma liga molecular isotópica (solução ideal) e exibiu transições de fase de quebra de simetria entre as fases I e II e a fase III.
Em seu experimento, os pesquisadores ficaram surpresos ao descobrir que todas as transições ocorreram em pressões mais altas para as ligas do que para H puro 2 ou D 2 . Isso contrariava quaisquer efeitos quânticos baseados na massa do isótopo, mas poderia ser explicado pelo aprisionamento quântico de estados de alta energia cinética pela interação de troca.
"Uma vez que HD tem uma massa intermediária e componente predominante nessas ligas, seria de se esperar que, com sua adição, as transições de fase ocorressem em regimes P-T intermediários, "disse o principal cientista deste estudo, "A discrepância da compreensão mais clássica dos diagramas de fase molecular, deriva da natureza quântica das próprias moléculas de hidrogênio, onde a simetria de troca pode, de fato, prender as moléculas em diferentes, estados de energia mais elevados. "
"As moléculas de HD não têm simetria de troca, em baixa temperatura, todas as moléculas de HD estarão no estado de menor energia. Contudo, H puro 2 e D 2 tem simetria de troca, então algumas das moléculas ficariam presas nos estados de energia mais alta. Portanto, a energia cinética presa é menor nas misturas do que nos elementos puros, e muda a transição de fase para pressão mais alta nas misturas, "disse Liu Xiaodi, o primeiro autor do artigo.
