固态氢分子的低温红外吸收特性研究

Solid molecular hydrogen is a typical quantum material in which each molecule exhibits large zero-point energy and nuclear delocalization. Due to the symmetry of the two atoms in a hydrogen molecule in the gas phase, the electric dipole moment of the molecule keeps constant to result in its infrared inactivity. However, hydrogen molecules will form solid or liquid phase at low temperatures. A unique property of the hydrogen-molecule solid or liquid is that the intermolecular forces create the fact that infrared (IR) transitions that are completely forbidden for isolated molecules in the gas phase become allowed in the solid or liquid phase and can lead to surprisingly strong IR absorption features while they retain well defined vibrational and rotational quantum states as for free molecules in the gas phase. The microstructures of the hydrogen-molecule solid change with the low temperatures. The microstructures include the crystalline structure (e.g. face-center cubic, or hexagonal close-packed), and microdefects (e.g. dislocations, grain boundaries, vacancies, voids). The variation of these microstructures must have an important influence on their IR-absorption properties. This project combines the experimental studies with theoretical simulations to reveal the basic physical mechanism of the IR-absorption properties of the solid molecular hydrogen at low temperatures and the effect of microstructures on their IR-absorption properties. This project is helpful to understand the fundamental physical properties of hydrogen at low temperatures.

氢分子是最简单的双原子分子，在气、液、固三态下表现出显著不同的物理化学性能，可以用来检验量子力学物理理论，探索新的原子分子物理和凝聚态物理现象与机理。不同于气态分子，低温下固态氢分子表现出独特的红外吸收活性。目前国内外对固态氢分子的红外吸收特性与其微观结构（包括：晶相、缺陷等）的相互关系还缺乏认识。低温下，氢分子固体的微观结构随温度而变化：除了晶相结构随温度和降温速率而改变，也会在不同温度下出现不同的缺陷。这些变化势必改变固态氢分子间的局域作用环境，从而改变其固有振动/转动频率或幅度，诱导新的红外吸收峰、引起峰位移动、改变吸收峰的峰形、半高宽或红外吸收的空间分布。本项目将实验与理论模拟相结合，开展固态氢分子的低温红外吸收特性研究，揭示低温下氢分子固体的微观结构对其红外吸收特性的影响规律；由此基于多分子集体效应，建立固态氢分子低温红外吸收的物理模型，促进对固态氢分子低温结构物性的理解。

氢分子是最简单的双原子分子。由于氢分子（H2）的对称性，它的振动/转动不会引起电偶极矩的变化，故氢分子在气态情况下没有红外活性。低温下，液态或固态氢分子除了仍保持着其气态下的振动和转动的性质，分子与分子之间的相互作用（范德瓦尔斯力）将诱导分子的电偶极矩发生变化，导致氢分子在液态或固态情况下可能表现出独特的红外吸收特性。本项目主要开展固态氢分子的低温红外吸收特性研究，按计划先后升级完善了现有的分子固体制备与原位表征系统，自主开发了路径积分-电子四极矩耦合的计算机模拟软件包，揭示了低温下氢分子固体的微观结构（晶相、晶粒尺寸、表面/界面、应力等）对其红外吸收特性的影响规律。我们的研究发现：不同于气态氢分子，由于集体效应，固态氢分子的红外吸收谱中除了有振子/转子红外吸收带，还有声子红外吸收带，其红外吸收与温度、晶格结构、电子结构、压力、晶粒尺度及其所处的环境（如：表面、界面）等密切相关，且这两个红外吸收带具有不同的演化特征；压力、温度和晶粒尺度均会诱使氢分子固体发生相变，使其呈现出不同的红外吸收带，或改变红外吸收带的峰位与半高宽等；压力也诱导分子内和分子间电荷转移，增强其静电相互作用，进一步改变固态氢分子的红外吸收特性；而且，即使对同一种晶体结构，由于氢分子所处的环境不同（如：表面/界面与体相区），分子内和分子间原子的相互作用不同，红外吸收特性也会发生变化。通过本项目的研究，加深了对氢分子结晶生长的科学认识以及建立了氢分子固体微结构原位表征方法，发表期刊论文6篇（其中自然指数期刊论文3篇），获得军队科技进步二等奖1项。本项目直接经费57万，实际使用经费44.6万，参加了国内学术会议8人次，承办了1次国内学术会议。