[論文レビュー] Insulator-metal transition in liquid hydrogen and deuterium

Shuqing Jiang, Nicholas Holtgrewe+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 2, 2018

High-pressure geophysics and materials参考文献 40被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、レーザー加熱ダイヤモンドアンビルセルを用いた実験により、極端な条件下における液体水素および重水素の絶縁体から金属への転移を調査した。150 GPaを超える圧力および3000 Kを超える温度で金属的反사率が観測され、自由電子金属的挙動を示し、可視光域のプラズマ端（plasma edge）と長時間の電子衝突時間（1 fs以上）を示しており、飽和導電度領域にないことを示唆し、金属化過程における一時的な半導体的流体相の存在を裏付ける証拠となった。

ABSTRACT

The insulator-to-metal transition in dense fluid hydrogen is an essential phenomenon to understand gas giant planetary interiors and the physical and chemical behavior of highly compressed condensed matter. Using fast laser spectroscopy techniques to probe hydrogen and deuterium precompressed in a diamond anvil cell and laser heated on microsecond timescales, we observe an onset of metal-like reflectivity in the visible spectral range at P>150 GPa and T>3000 K. The reflectance increases rapidly with decreasing photon energy indicating free-electron metallic behavior with a plasma edge in the visible spectral range at high temperatures. The reflectivity spectra also suggest much longer electronic collision time (>1 fs) than previously inferred, implying that metallic hydrogens at the conditions studied are not in the regime of saturated conductivity (Mott-Ioffe-Regel limit). Combined with previously reported data, our results suggest the existence of a semiconducting intermediate fluid hydrogen state en route to metallization.

研究の動機と目的

• 極端な圧力および温度下における高密度流体水素および重水素の絶縁体から金属への転移を調査すること。
• 金属化閾値付近における水素の電子的性質、特にプラズマ周波数および電子散乱時間の特定。
• 金属的挙動への移行過程における中間相、特に半導体的状態の存在の探求。
• 金属水素における電子衝突時間および導電度の上限に関する先行研究の推定値との不一致の解消。
• 惑星内部条件における水素の相図についての実験的制約を提供すること。

提案手法

• 150 GPaを超える圧力を発生させるためにダイヤモンドアンビルセルを用いた水素および重水素のプレプレッシャー。
• マイクロ秒スケールで急速なレーザー加熱により、3000 Kを超える温度に到達。
• 可視光域スペクトル範囲における時間分解反射率を測定するための高速レーザー分光法の使用。
• 反射率スペクトルの解析により、プラズマ端の位置および電子散乱時間を推定。
• 自由電子金属のドレーデモデル予測と反射率データの比較。
• 中間相の存在を評価するために、先行実験データの統合。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 液体水素および重水素における絶縁体から金属への転移は、どの圧力および温度で発生するか？
• RQ2 金属化閾値付近における電子的応答は、自由電子的挙動か、局在的か？
• RQ3 金属水素における電子散乱時間は、モット＝イェーフェ＝レーゲル限界と比較してどうか？
• RQ4 絶縁体から金属への転移過程に一時的な半導体的相が存在する証拠はあるか？
• RQ5 同一の極限的条件下で、水素および重水素の光学的性質はどのように比較できるか？

主な発見

• 150 GPaを超える圧力および3000 Kを超える温度で、液体水素および重水素に金属的反사率が観測された。
• 光子エネルギーが低下するにつれて反射率が増加する傾向が観察され、自由電子金属的挙動に一致する可視光域のプラズマ端を示した。
• 電子衝突時間が1 fsを超えることが判明し、金属水素が飽和導電度領域（モット＝イェーフェ＝レーゲル限界）にないことを示唆した。
• 先行結果と併合解析した結果、絶縁体から金属への転移過程における半導体的中間流体相の存在を支持する証拠が得られた。
• 光学的応答は、強い局在化やモット転移効果の証拠なしに、自由電子のドレーデモデルと整合的であった。
• 重水素は、同様の極限的条件下で水素と同等の光学的挙動を示し、金属化過程が同位体に依存しないことを示した。