近日，北京高压科学研究中心与中国科学院固体物理研究所、爱丁堡大学的合作研究发现：不同比例的氢与氘（氢的同位素）混合物在高压低温下可形成一系列分子固溶体。虽然相对于纯的氢和氘，固溶体也经历了类似的高压结构相变，但相变压力显著提高，揭示了在氢体系中独特的量子效应。相关研究成果以“Counterintuitive effects of isotopic doping on the phase diagram of H2–HD–D2 molecular alloy”为题6月1日发表于《美国科学院院刊（PNAS）》。
论文链接：
https://www.pnas.org/content/early/2020/05/29/2001128117
氢及其同位素氘在高压下是最典型的量子固体。作为同位素，由于他们具有显著不同的质量，因而展现出强烈的同位素效应。比如该团队于2017年在氘中发现了不同氢的高压相（PRL 119, 065301, 2017）。
“氢-氘是高压下非常有趣的体系，我们关于氢和氘已经进行了一系列的研究，然而还有很多重要的问题尚待解答：由于同位素及其核量子效应，氢与氘形成的氢氘（HD）分子是否会在某一条件下分解？是否有区别于纯氢和纯氘的新相的出现？氘的掺杂是如何影响氢的相变等等？”，该工作的通讯作者Gregoryanz研究员说到。
该团队把氢与氘在以三种不同的比例混合，通过自主搭建的极端条件光谱实验平台研究氢和氘混合物在高压（0-200万大气压）低温（0-200K）条件下的结构变化。从拉曼光谱上来看，三种比例的混合物在高压低温下均看起来是由氢分子+氢氘分子+氘分子组成的完美的固溶体，这个固溶体也经历了类似于氢气，氘气的三种高压下的结构转变（I-II-III），然而相变压力并非如常理推测的那样介于氢气，氘气的相变点之间，而是高于他们。
图释：三种典型比例的氢氘混合物（氢和氘的比例分别为 75:25 = 3:1, 50:50 = 1:1,and 40:60 = 2:3）的高压低温相图，以及纯氢H2（灰色虚线）和纯氘D2（黑色点线）的高压低温相图。
“由于氢氘混合物的质量处于氢和氘之间，通常会认为氢氘混合物进入相II的压力会处于纯氢和纯氘之间。然而意外地是，氢氘混合物进入相II和相III的压力既高于氘也高于氢，据我们分析这是由交换相互作用对高能态量子捕获引起的。这个发现非常颠覆我们的直觉，是氢显著的核量子效应造成的结果”，Gregoryanz研究员解释到。“同时，从我们目前的研究来看，氢氘的混合物中也不大可能发现此前由哈佛大学报道的固体氢和氘中未观察到的两个致密结构”，Gregoryanz研究员补充道。
Eugene Gregoryanz团队一直致力于氢及其同位素的高压相图和结构研究，相继在超高压条件下发现了氢的第IV相和第V相，并完善了氢的高压相图，推进了对氢及其同位素在高压下行为的认知。
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