Only Perception: 液態氫有新「相」的證據

2010-03-03

液態氫有新「相」的證據

Evidence of a new phase in liquid hydrogen
http://www.physorg.com/news186310440.html

By Miranda Marquit, February 25, 2010

(PhysOrg.com) -- 我們老以為我們已經弄懂了氫，最基本的元素之一。然而，氫仍然令人驚訝，尤其是當科學家們開始在最基本的層次上探索它的特性時。"我們跑模擬程式以提供液態氫中，從分子到原子過渡（transition）的量化圖（quantitative map），" Isaac Tamblyn 表示。"我們所發現的某些事情很驚人，而且能改變那些牽涉氫之模型所使用的基本狀態方程式。"

Tamblyn 是加拿大 Halifax，Dalhousie 大學的一位科學家。他與 Stanimir A. Bonev 合作，模擬液態氫中的過渡，為一種不曾報告過的液相提供證據，並注意到液態氫中某些有趣的結構特徵。關於這些模擬的過程還有結果與結論，呈現在 Physical Review Letters 的這篇文章中：「Structure and Phase Boundaries of Compressed Liquid Hydrogen」。

"我們使用第一原理分子動態模擬（first principles molecular dynamics simulations）來塑模此液體，" Tamblyn 解釋。"原子間的力使用 Schrodinger 方程式獲得。原子的速度接著被更新，而系統則隨著時間逐漸形成。"

"我們執行模擬以判定在不同的熱力條件下會發生什麼事，例如密度與溫度，並且在模擬進行時監看分子的穩定性，" Tamblyn 繼續說。"我們的過渡線（transition line）是根基在分子穩定性上。在分子液體中，分子倖存的機會比原子的大，所以這是種描述過渡的自然方式。"

在運行模擬後，Tamblyn 與 Bonev 接著得分析它們。"我們在液體中發現一種次序（ordering）那說明了氫一些有趣的特性，諸如在某些狀態下的事實：液態氫的密度比固態更加稠密。我們也發現，高度有序性聚集（ordered packing）闡明了與解離（dissociation）有關的特性，對此，我們以前並沒有充分了解。"

這對搭檔發現，這些模擬使人想到液態氫中，一階相變（first-order phase transition）存在的標準。"這東西的存在已經過爭辯，" Tamblyn 解釋，"而且，我們為其可能性提供了某些證據。"

Tamblyn 與 Bonev 透過他們的模擬所發現最顯著的事情之一是，從天體物理學的立場來看，描述氫特性的方程式也許得要被更新。"這也許能使得塑模（modeling）繼續向前走，" Tamblyn 強調。"我們在液體中所發現的東西暗示固體看起來會是什麼樣子，且能幫助決定它的一些熱與電氣特性。"

這是個好機會，利用這些模擬所發現的氫結構新資訊，行星模型也許能獲得改變。"一些以前的計算也許需要經過校訂，" Tamblyn 預測。他也表示，這些模擬也對於氫混合物的潛在效應作出暗示。"我們對氫與氦混合物的牽連特別感興趣。"

繼續向前，Tamblyn 相信，仍有空間拓展此研究。"我們正觀望氫的金屬化，接著轉變為某種液態金屬。我們也在看氫混合物的模擬，尤其是與氦，看看我們的發現是否適用。"

※ 相關報導：

＊ Structure and Phase Boundaries of Compressed Liquid Hydrogen
http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.104.065702

Isaac Tamblyn and Stanimir A. Bonev
Phys. Rev. Lett. 104, 065702 (2010) [4 pages]

We have mapped the molecular-atomic transition in liquid hydrogen using first principles molecular dynamics. We predict that a molecular phase with short-range orientational order exists at pressures above 100 GPa. The presence of this ordering and the structure emerging near the dissociation transition provide an explanation for the sharpness of the molecular-atomic crossover and the concurrent pressure drop at high pressures. Our findings have nontrivial implications for simulations of hydrogen; previous equation of state data for the molecular liquid may require revision. Arguments for the possibility of a first order liquid-liquid transition are discussed.