氢、氘及其混合物在超高压低温（〉300 GPa，10-300 K）下的相图研究

The molecular hydrogen is expected to disassociate into atomic metallic state at extreme high pressure. A panoply of intriguing phenomena is predicted to happen with metallic hydrogen such as high-temperature superconductivity, liquid ground state, superfluidity, etc. The phase diagram, physical and chemical properties of dense hydrogen has long remained the research frontier in the physical and chemical sciences. Building on our recent breakthroughs in the work (Phys. Rev. Lett. 119, 065301(2017) of phase diagram of hydrogen and deuterium at middle pressures and low temperatures (0-200 GPa，10-300 K), we propose to investigate the physical and chemical properties of very dense hydrogen, deuterium, and their mixtures at extreme conditions of pressures higher than 300 GPa and at low temperature range 10-300 K. We are aiming to explore the new phase after phase III at the pressure range higher than 300 GPa and temperature range 10-300 K, and obtain the phase boundary between phase III and phase IV, and map out the phase boundary line between phase III and phase V. we hope to establish the full and complete picture of the phase diagrams above 300 GPa and at 10-300 K temperature range. We aspire to bring the challenging studies of hydrogen to a qualitatively new level of technical sophistication and understanding, and push forward the metallic hydrogen research in China.

氢在足够高的压力下会变成金属态的氢，“金属氢”蕴含着丰富的物理内涵和广泛的应用前景，如室温超导等。针对超高压下稠密氢的相图和物理性质研究这一凝聚态物理领域的前瞻性课题，基于申请人最近研究的氢和氘的低温高压区相图（0-200 GPa，10-300 K）（Phys. Rev. Lett. 119, 065301(2017)），选择氢、氘以及氢氘混合物，深入研究它们在压力大于300 GPa和低温(10-300 K)下的物理和化学性质，探索高压低温相相III以后新相，确定相III和相IV以及相V的相边界。本项目拟通过氢的超高压样品制备和探测技术的创新，在低温10-300 K范围获得高于300 GPa的氢样品，实现此条件下的原位高压低温拉曼光谱的测量，获得氢、氘以及氢氘混合物在此极端条件下的完整相图，探索低温下金属氢的实现。该研究对揭示超高压下氢的相图和物理性质以及推动金属氢的实现有有重要意义。

氢在足够高的压力下会变成金属态的氢，“金属氢”蕴含着丰富的物理内涵和广泛的应用前景，如室温超导等。针对超高压下稠密氢的相图和物理性质研究这一凝聚态物理领域的前瞻性课题，项目组深入研究氢、氘以及氢氘混合物在超高压低温下的物理和化学性质，获得超高压低温相图，探索低温下金属氢的实现。该研究对揭示超高压下氢的相图和物理性质以及推动金属氢的实现有有重要意义。.本项目按照计划进行了大量研究，完成了项目计划的研究内容，实现了项目计划的研究目标。发展了超高压技术，升级了超高压低温拉曼光谱测量平台，对氢和氘实现了300 GPa以上的压力，获得了氢、氘以及混合物的高压低温拉曼光谱。基于这些拉曼光谱，研究了氢的低温高压条件下相III以后的相图，研究了氘和氢氘混合物在低温高压下相图，并与纯氢的相图进行对比研究。研究了氢和氘的量子效应和同位素效应，获得了超高压下氢氘混合物相图，发现由于交换对称相互作用和核量子效应作用，氢氘混合物呈现反常的相图；获得了硫化氢的高压低温相图，为超导提供光谱和结构证据；研究了限域氢在沸石体系和水体系中的光谱性质和结构。发展了高压下的新型磁探测技术-基于碳化硅色心自旋体系的高压光探测磁共振技术，利用此技术探测到铷铁硼材料的压致相变和超导材料钇钡铜氧的超导转变，证实了此探测方法的可行性和广泛的应用前景。.在本项目的支持下发表论文22篇，其中代表性论文有Nature Materials 1篇（已接收）、PRL 2 篇，Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) 2篇、Nano Letters 1篇，Physical Review B 2篇等；发明专利一项。在本项目支持和取得的工作基础上，项目负责人入选中科院青促会会员，获得中科院合肥物质研究院“优秀研究生导师”称号，入选中科院合肥物质研究院“葛庭燧攻关突击队”队员等。在本项目支持下，参加了五次国内外学术会议，培养的博士生获得2021年度中科院院长特别奖、2020年度中科院院长优秀奖。