[论文解读] 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 3

一句话总结

本研究通过激光加热的金刚石对顶砧实验，探究了极端条件下液态氢和氘在绝缘体-金属转变过程中的行为。在超过150 GPa和3000 K的条件下，观测到类似金属的反射率，表明存在自由电子金属行为，具有可见光范围的等离子体边缘以及长电子碰撞时间（>1 fs），暗示非饱和电导率状态，并提供证据表明在金属化过程中存在瞬态半导体流体相。

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.

研究动机与目标

• 研究极端压力和温度下致密流体氢和氘的绝缘体-金属转变过程。
• 确定氢在金属化阈值附近的电子性质，包括等离子体频率和电子散射时间。
• 探索在向金属行为转变过程中是否存在中间相——特别是半导体态。
• 解决先前对金属氢中电子碰撞时间及电导率极限估计值的差异。
• 为行星内部条件下氢的相图提供实验约束。

提出的方法

• 在金刚石对顶砧中对氢和氘进行预压缩，实现压力超过150 GPa。
• 在微秒时间尺度内对样品进行快速激光加热，使其温度超过3000 K。
• 采用高速激光光谱技术测量可见光波段的时间分辨反射率。
• 通过分析反射率光谱推断等离子体边缘位置和电子散射时间。
• 将反射率数据与自由电子金属的Drude模型预测进行比较。
• 结合先前实验数据，评估是否存在半导体中间相。

实验结果

研究问题

• RQ1 液态氢和氘在何种压力和温度下发生绝缘体-金属转变？
• RQ2 在金属化阈值附近，电子响应的性质是类自由电子还是局域化？
• RQ3 金属氢中的电子散射时间与Mott-Ioffe-Regel极限相比如何？
• RQ4 在绝缘体-金属转变过程中是否存在瞬态半导体相的证据？
• RQ5 在相同极端条件下，氢和氘的光学性质有何异同？

主要发现

• 在压力超过150 GPa且温度超过3000 K的条件下，液态氢和氘表现出类似金属的反射率。
• 反射率随光子能量降低而增加，表明存在可见光范围的等离子体边缘，与自由电子金属行为一致。
• 电子碰撞时间超过1 fs，表明金属氢未处于饱和电导率状态（即未达到Mott-Ioffe-Regel极限）。
• 结合先前结果的综合分析支持在绝缘体-金属转变过程中存在半导体中间流体相。
• 光学响应与自由电子的Drude模型一致，测量条件下未发现强局域化或Mott转变效应的证据。
• 氘的光学行为与氢相似，表明在这些条件下金属化过程具有同位素无关性。