Hydro - nguyên tố phổ biến nhất trong vũ trụ - phản ứng với các trạng thái cực đoan về áp suất và nhiệt độ khác nhau. Trong điều kiện môi trường xung quanh, hydro là một phân tử khí có hai nguyên tử. Như dưới áp suất tăng lên, các phân tử chuyển sang các trạng thái vật chất khác nhau giống như khi nước đá tan chảy thành chất lỏng rồi sau đó đun nóng lên thành hơi nước. Cho đến nay, ở áp suất cực trị hydro có bốn pha (giai đoạn) rắn được biết đến. Giờ đây, các nhà khoa học, trong đó có Alexander Goncharov ở Viện Carnegie, đã kết hợp hydro với chị em nặng của nó là đêtơri - có thêm một neutron trong hạt nhân - và tạo ra một vật chất "pha IV" mới không có trật tự, trong đó các phân tử tương tác khác với những tương tác đã được quan sát trước đây.
Kết quả mới này, được công bố trong tạp chí Physical Review Letters, có thể có giá trị cho việc kiểm soát các tính chất siêu dẫn và điện nhiệt của vật liệu mang hydro mới.
Pha IV của phân tử hydro (H2) và đơteri (D2) tinh khiết, rắn và đậm đặc trước đây cũng được một số thành viên của nhóm phát hiện ra. Các phân tử hiđrô này thể hiện hai hành vi rất khác nhau. Tương tác yếu với các phân tử bên cạnh, trong khi lại bám chặt với người hàng xóm của mình, tạo thành các tấm nguyên tử hình lục giác giống như graphene, một dạng cacbon hai chiều mới với các tính chất điện tử hấp dẫn. Về điện tử, các lớp này cư xử có phần giống như một chất bán dẫn và một bán kim loại (semimetal). Bán kim loại có các tính chất điện tử ở giữa kim loại và chất bán dẫn. Nhóm nghiên cứu, đứng đầu là Ross Howie ở Đại học Edinburgh, đã kết hợp các thí nghiệm với tính toán lý thuyết. Họ trộn H2 và D2 ở các nồng độ khác nhau và để chúng ở nhiệt độ phòng dưới các áp suất khác nhau, từ khoảng 2.000 lần áp suất khí quyển (0,2 MPa) tới khoảng 2,7 triệu lần áp suất khí quyển (270 MPa).
Goncharov giải thích: "Trước khi tiến hành thí nghiệm, chúng tôi nghĩ rằng vật liệu này có thể thay đổi dưới áp suất theo một số quá trình khác nhau. Sự khác biệt về khối lượng của các phân tử có nghĩa là chúng có các trạng thái năng lượng thấp rất khác nhau, điều này sẽ ảnh hưởng đến kết quả. Trong một kịch bản, các tính chất vật lý có thể dẫn đến sự phân biệt trật tự của các phân tử H2 và D2 giữa các lớp liên kết mạnh và yếu".
Theo một kịch bản khác, các phân tử có thể được phân bố ngẫu nhiên, hay không có trật tự. Sau đó chúng trải qua một trạng lý thú khác, có thể trạng thái không trật tự ảnh hưởng đến các sóng dao động nguyên tử (gọi là phonon) và ngăn không cho chúng tự do truyền đi, một hiện tượng được gọi là cục bộ hóa Anderson. Thông thường, các điện tử trong chất rắn có giá trị năng lượng chỉ trong những phạm vi nhất định. Các nhà khoa học nghĩ rằng sự truyền sóng dao động thông qua một sự hỗn độn phân tử có thể phá vỡ dải năng lượng này phụ thuộc vào cường độ liên kết, khối lượng phân tử, hoặc cả hai, và có thể ảnh hưởng đến một vài phân tử cục bộ.
Các nhà khoa học đã sử dụng một kỹ thuật gọi là quang phổ Raman, đo hành vi lượng tử nhỏ bé của năng lượng dao động, năng lượng quay và chuyển động khác trong một hệ thống phân tử khi ánh sáng laser tương tác với các phân tử đó. Sau đó, họ đã khẳng định thí nghiệm của mình với các tính toán lý thuyết. Các nhà khoa học phát hiện ra rằng ở áp suất trên 1,9 triệu lần áp suất khí quyển, các sóng dao động hiển thị hiện tượng cục bộ hóa Anderson. Mức độ cục bộ hóa phụ thuộc vào nồng độ của H2 và D2 và những phân tử này thuộc các lớp liên kết yếu hay mạnh. Ví dụ trong một lớp, các phân tử H2 dao động trong các nhóm riêng biệt 2-3 phân tử ở các tần số ít phụ thuộc vào môi trường xung quanh. Khi nồng độ hydro tăng lên, các cụm H2 khác nhau lớn lên và bắt đầu cặp với nhau. Đây là nghiên cứu đầu tiên mà cục bộ hóa Anderson năng lượng dao động đã được quan sát bằng tương tác với sự khác biệt khối lượng trong vật liệu.
Goncharov nhận xét: "Cục bộ hóa Anderson của các kích thích dao động trong hỗn hợp hydro cung cấp một cơ chế mới để tối ưu hóa các hành vi nhiệt điện và điện tử, ví dụ như trong siêu dẫn".
Nguồn: NASATI, ngày 24/10/2014