[論文レビュー] Low temperature phase diagram of hydrogen at pressures up to 380 GPa. A possible metallic phase at 360 GPa and 200 K

M. I. Eremets, I. A. Troyan+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 18, 2016

High-pressure geophysics and materials参考文献 26被引用数 34

ひとこと要約

本研究では、380 GPaまで圧力をかけた低温度状態における水素の相図を提示し、約360 GPaおよび200 K未満で新たな相VIを同定した。特徴のないラマンスペクトル、電気抵抗の急激な低下、光起電力の欠如という証拠から、相VIは金属的であると示唆され、極限条件下における水素の予測された金属的状態の確認に向けた重要な一歩である。

ABSTRACT

Two new phases of hydrogen have been discovered at room temperature in Ref.1: phase IV above 220 GPa and phase V above ~270 GPa. In the present work we have found a new phase VI at P~360 GPa and T<200 K. This phase is likely metallic as follows from the featureless Raman spectra, a strong drop in resistance, and absence of a photoconductive response. We studied hydrogen at low temperatures with the aid of Raman, infrared absorption, and electrical measurements at pressures up to 380 GPa, and have built a new phase diagram of hydrogen.

研究の動機と目的

• 380 GPaに達するまでの極限的圧力下での水素の低温度相挙動をマップすること。
• 常温では観察されない新たな高圧相を同定すること。
• 低温および高圧条件下で水素に金属的相が出現するかどうかを特定すること。
• 金属的水素が予測される条件に近い状態における水素の電気的および振動的性質を調査すること。

提案手法

• ダイヤモンドアンビルセルを用いて高圧実験を実施し、水素を最大380 GPaまで圧縮した。
• 振動モードおよび相転移を調べるために低温ラマン分光法を実施した。
• 電子的および分子的応答を評価するために赤外吸収スペクトルを取得した。
• 金属的挙動を検出するために電気抵抗および光起電力測定を実施した。
• 複数の技術からのデータを統合して包括的な相図を構築した。
• 潜在的な金属的相の安定性を調査するために、200 K未満の温度に焦点を当てた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 360 GPa前後かつ200 K未満の温度で水素に新たな相が存在するか？
• RQ2 これらの条件下で金属的挙動の出現を裏付ける証拠は何か？
• RQ3 メガバール領域における圧力および温度の変化に伴い、水素の振動的および電子的性質はどのように変化するか？
• RQ4 新たな相の同定をもとに、水素の相図をより低い温度まで拡張できるか？
• RQ5 水素に金属的状態に至る可能性のある相転移の性質は何か？

主な発見

• 約360 GPaおよび200 K未満の条件下で、新たな相VIが同定された。
• 相VIは特徴のないラマンスペクトルを示し、分子振動秩序の喪失を示唆している。
• 相VIでは電気抵抗が急激に低下しており、金属的伝導への転移を示唆している。
• 相VIでは光起電力応答が観察されなかったため、金属的挙動と整合的である。
• ラマン、赤外線、電気的測定からの統合的証拠により、相VIが金属的相である可能性が支持された。
• 本研究は、水素の相図をより高い圧力およびより低い温度にまで拡張し、新たな高圧相を明らかにした。