Hydrogen bond symmetrisation in DO ice observed by neutron diffraction

中性子回折で観測されたDO氷における水素結合対称化

小松 一生*; 服部 高典   ; Klotz, S.*; 町田 真一*; 山下 恵史朗*; 伊藤 颯*; 小林 大輝*; 入舩 徹男*; 新名 亨*; 佐野 亜沙美   ; 鍵 裕之*

Komatsu, Kazuki*; Hattori, Takanori; Klotz, S.*; Machida, Shinichi*; Yamashita, Keishiro*; Ito, Hayate*; Kobayashi, Hiroki*; Irifune, Tetsuo*; Shimmei, Toru*; Sano, Asami; Kagi, Hiroyuki*

水素結合の対称化とは、水素原子が水素結合の中心に位置する現象である。理論的研究により、氷VIIの水素結合は、圧力が増加するにつれて、水素の分布を変化させながら、いくつかの中間状態を経て、最終的に対称化すると予測されている。これまで、多くの実験的研究が行われてきたにもかかわらず、その水素の位置や転移圧力は一貫していない。われわれは、100GPa以上の圧力で中性子回折実験を行い、氷中の水素分布を決定し、隣接酸素間での分布が80GPa付近で2つから1つになり水素結合が対称化することを世界で初めて観測した。

Hydrogen bond symmetrisation is the phenomenon where a hydrogen atom is located at the centre of a hydrogen bond. Theoretical studies predict that hydrogen bonds in ice VII eventually undergo symmetrisation upon increasing pressure, involving nuclear quantum effect with significant isotope effect and drastic changes in the elastic properties through several intermediate states with varying hydrogen distribution. Despite numerous experimental studies conducted, the location of hydrogen and hence the transition pressures reported up to date remain inconsistent. Here we report the atomic distribution of deuterium in DO ice using neutron diffraction above 100 GPa and observe for the first time the transition from a bimodal to a unimodal distribution of deuterium at around 80 GPa. At the transition pressure, a significant narrowing of the peak widths of 110 was also observed, attributed to the structural relaxation by the change of elastic properties.