中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所計(jì)算物理與量子材料研究部高壓團(tuán)隊(duì)對(duì)氫體系施加了350 GPa的超高壓力，繪制出超高壓低溫相圖。相關(guān)研究結(jié)果以“Phase transitions in H2?HD?D2 mixtures up to 350 GPa”為題發(fā)表在Physical Review B (Phys. Rev. B, 2025, 111, 024109)上，并被選為編輯推薦文章（Editors' Suggestion）。

氫是最輕的元素，其同位素質(zhì)量比在所有元素中最大，因此氫體系中存在顯著的同位素效應(yīng)。在氫的眾多 “組合” 中，氫氘（HD）分子由異核原子組成，不受交換對(duì)稱(chēng)性限制，核自旋方向?qū)δ芗?jí)排布沒(méi)有影響，且HD的分子質(zhì)量處于純氫和純氘之間。這些獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特性讓 HD 分子在高壓環(huán)境下的相圖和物性極為受關(guān)注。

一直以來(lái)，氫和氘的高壓相圖是凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的熱門(mén)研究方向，在很寬的壓力和溫度范圍內(nèi)被廣泛研究。目前實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了氫的五個(gè)高壓固相（相I、II、III、IV、V）。然而對(duì)氘化氫（HD）的高壓相圖研究卻仍存在諸多疑惑，亟待完善，甚至存有爭(zhēng)議，如相HD-IV*和相HD-PRE是否存在，是否存在其他新相。

近年來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)不斷發(fā)展超高壓技術(shù)，將氫氘混合物的超高壓研究邊界拓展至350 GPa，獲得了五種固體相的高質(zhì)量拉曼光譜。針對(duì)傳統(tǒng)相 III 區(qū)域，團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了壓力溫度（P-T）掃描，未觀測(cè)到 HD-IV * 和 HD-PRE 相。此外，研究團(tuán)隊(duì)精準(zhǔn)繪制了相III-IV的相邊界。該相邊界整體呈現(xiàn)負(fù)斜率，且在250 GPa以下為-0.95 K/GPa，在250GPa以上為?0.55 K/GPa。隨著壓力進(jìn)一步升高，相邊界逐漸變得平緩。在帶隙研究方面，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)混合物在300～360 GPa之間的帶隙基本介于純氫和純氘之間，這表明同位素合金化并沒(méi)有顯著改變金屬化壓力。

固體所博士生徐海岸為論文的第一作者，固體所劉曉迪研究員為論文通訊作者。上述工作得到了中國(guó)科學(xué)院青促會(huì)、國(guó)家自然科學(xué)基金、合肥物質(zhì)院院長(zhǎng)基金等項(xiàng)目的支持。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.111.024109。

圖. 超高壓至350 GPa的氫氘混合物H2-HD-D2的壓力溫度相圖。