Pesquisadores descobrem transições de fase de quebra de simetria após dopagem isotópica

Figura 1. Diagramas de fase de baixa temperatura propostos para três misturas representativas de H2 – D2 (razões H2: D2 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 nas fases II e III representam diferentes concentrações da mistura. As linhas tracejadas cinza representam os limites de fase dos isótopos puros. (Inserção) Diagrama de fase estendido da mistura 50:50 individual, mostrando os pontos de dados coletados para compressão isotérmica e ciclos de resfriamento isobárico. Crédito: LIU Xiaodi

Uma equipe conjunta, enquanto explora os diagramas de fases em densas misturas de H2 – HD – D2, relatou uma nova descoberta na qual encontraram efeitos contra-intuitivos do doping isotópico no diagrama de fases da liga molecular H2 – HD – D2.

Este trabalho foi conduzido por uma equipe de pesquisa do Instituto de Física do Estado Sólido, Institutos de Ciências Físicas de Hefei, colaborando com pesquisadores do Centro de Pesquisa Avançada em Ciência e Tecnologia de Alta Pressão e Universidade de Edimburgo. Foi publicado no PNAS em 2 de junho de 2020.

O hidrogênio molecular forma o sólido quântico arquetípico. Sua natureza quântica é revelada pelo comportamento classicamente impossível, bem como por efeitos isotópicos muito fortes. Os efeitos isotópicos entre as moléculas de H2, D2 e HD vêm da diferença de massa e dos diferentes efeitos de troca quântica: as moléculas de H2 Fermionic têm funções de onda anti-simétricas, enquanto as moléculas de D2 bosônicas têm funções de onda simétricas, e as moléculas de HD não têm simetria de troca.

Para investigar como o diagrama de fases depende dos efeitos nucleares quânticos, a equipe conjunta usou a espectroscopia Raman in situ de alta pressão e baixa temperatura para mapear os diagramas de fases de H2 – HD – D2 com várias concentrações de isótopos em uma ampla faixa de P-T.

Quando o hidrogênio e o deutério foram misturados, eles formaram misturas de H2 + HD + D2 a pressões muito baixas e temperatura ambiente.

Eles descobriram que as misturas de H2, HD e D2 se comportavam como uma liga molecular isotópica (solução ideal) e exibiam transições de fase de quebra de simetria entre as fases I e II e fase III.

Em seu experimento, os pesquisadores ficaram surpresos ao descobrir que todas as transições ocorreram a pressões mais altas para as ligas do que para H2 ou D2 puro. Isso foi contrário a quaisquer efeitos quânticos baseados na massa isotópica, mas poderia ser explicado pelo aprisionamento quântico de estados de energia cinética alta pela interação de troca.

“Como o HD tem uma massa intermediária e um componente predominante nessas ligas, seria de esperar que, com sua fase de adição, as transições ocorressem em regimes intermediários de TP”, disse o principal cientista deste estudo: “A discrepância do entendimento mais clássico da fase molecular diagramas, deriva da natureza quântica das próprias moléculas de hidrogênio, onde a simetria da troca pode, de fato, prender as moléculas em diferentes estados de energia mais alta “.

“As moléculas de HD não têm simetria de troca; a baixa temperatura, todas as moléculas de HD estarão no estado de energia mais baixo. No entanto, H2 e D2 puros têm simetria de troca, então algumas das moléculas ficariam presas nos estados de energia mais alta. Portanto, a cinética presa a energia é menor nas misturas do que nos elementos puros e muda a transição de fase para uma pressão mais alta nas misturas “, disse Liu Xiaodi, o primeiro autor do artigo.

Publicado em 03/06/2020 20h18

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