Utilizando uma técnica de síncrotron de última geração desenvolvida recentemente, um grupo de cientistas liderado pelo Dr. Ho-kwang Mao, Diretor da HPSTAR, conduziu o primeiro estudo de alta pressão da banda eletrônica e informações de lacuna de hidrogênio sólido de até 90 GPa. Seu resultado inovador de espalhamento inelástico de raios-X de alta pressão serve como um teste para a medição direta do processo de metalização do hidrogênio e abre uma possibilidade para resolver as dispersões eletrônicas do hidrogênio denso. Este trabalho está publicado em uma edição recente da Cartas de revisão física .

A evolução induzida por pressão da banda eletrônica de hidrogênio de um isolador de grande lacuna para um metal de lacuna fechada, ou hidrogênio metálico, tem sido um problema antigo na física moderna. Contudo, a energia notavelmente alta do hidrogênio evitou que a lacuna da banda eletrônica fosse observada diretamente sob pressão antes. Sondas existentes, como condutividade elétrica, absorção óptica, ou medições de espectroscopia de reflexão, são limitados e fornecem poucas informações sobre um isolador de grande abertura. "Todos os estudos anteriores do gap no isolamento de hidrogênio sob compressão foram baseados em um esquema indireto usando medições ópticas, "explica o Dr. Mao.

A equipe usou alto brilho, radiação síncrotron de alta energia para desenvolver uma sonda de raios-X inelástica (IXS), produzindo informações de banda eletrônica de hidrogênio in situ sob alta pressão em uma célula de bigorna de diamante (DAC). "O desenvolvimento de nossa técnica DAC-IXS para este projeto levou uma equipe internacional de muitos especialistas em espectroscopia de raios-X inelástica síncrotron, instrumentação, e técnicas de ultra-alta pressão ao longo de cinco anos para completar, "disse o Dr. Bing Li, o primeiro autor.

"Na realidade, o verdadeiro início deste projeto pode ser rastreado há mais de 20 anos, e esses resultados são o culminar de toda essa preparação e experimentação. Um verdadeiro testemunho do enorme esforço e talento da equipe envolvida, "disse o Dr. Mao. A nova técnica da sonda IXS permitiu que uma faixa de energia UV extensa e inacessível de 45 eV fosse medida, mostrando como a densidade da junta eletrônica de estados e a lacuna de banda do hidrogênio denso evoluem com a pressão. O gap eletrônico diminuiu linearmente de 10,9 eV para 6,57 eV, com uma densificação de 8,6 vezes da pressão zero até 90 GPa.

Esses desenvolvimentos em recursos de síncrotron de última geração com sondas de raios-X em escala de submícron a nanômetro apenas ampliarão as possibilidades experimentais futuras. Os avanços do IXS para pressões mais altas podem colocar a região semicondutora das fases II-V ao alcance e permitir o estudo da metalização do hidrogênio por meio de medições eletrônicas diretas e quantitativas de gap.

Este trabalho supera desafios técnicos formidáveis, alcançando medições experimentais diretas da banda eletrônica do hidrogênio e sua lacuna pela primeira vez.