Hydrogen and helium are the most abundant elements in the universe, and they constitute the interiors of gas giant planets. Thus, their equations of states, phase, chemical state, and chemical reactivity at extreme conditions are of great interest. Applying Raman spectroscopy, visual observation, and synchrotron X-ray diffraction in diamond anvil cells, we performed experiments on H2–He 1:1 and D2–He 1:10 compressed gas mixtures up to 100 GPa at 300 K. By comparing with the available data on pure bulk materials, we find no sign of miscibility, chemical reactivity, and new compound formation. This result establishes a new baseline for future investigations of miscibility in the He–H2 system at extreme P-T conditions.

1.
W. B.
Hubbard
,
Science
214
(
4517
),
145
149
(
1981
).
2.
D. J.
Stevenson
,
Annu. Rev. Earth Planet. Sci.
10
,
257
295
(
1982
).
3.
4.
U.
vonZahn
and
D. M.
Hunten
,
Science
272
(
5263
),
849
851
(
1996
).
5.
U.
von Zahn
,
D. M.
Hunten
, and
G.
Lehmacher
,
J. Geophys. Res.: Planets
103
(
E10
),
22815
22829
, https://doi.org/10.1029/98je00695 (
1998
).
6.
B. J.
Conrath
,
D.
Gautier
,
R. A.
Hanel
, and
J. S.
Hornstein
,
Astrophys. J.
282
(
2
),
807
815
(
1984
).
7.
T.
Guillot
,
Planet. Space Sci.
47
(
10-11
),
1183
1200
(
1999
).
8.
W. B.
Hubbard
,
Astrophys. J.
162
(
2
),
687
(
1970
).
9.
D. J.
Stevenson
and
E. E.
Salpeter
,
Astrophys. J., Suppl. Ser.
35
(
2
),
221
237
(
1977
).
10.
J. M.
McMahon
,
M. A.
Morales
,
C.
Pierleoni
, and
D. M.
Ceperley
,
Rev. Mod. Phys.
84
(
4
),
1607
1653
(
2012
).
11.
J. E.
Klepeis
,
K. J.
Schafer
,
T. W.
Barbee
, and
M.
Ross
,
Science
254
(
5034
),
986
989
(
1991
).
12.
D. J.
Stevenson
,
J. Phys. F: Met. Phys.
9
(
5
),
791
801
(
1979
).
13.
W.
Zhang
,
A. R.
Oganov
,
A. F.
Goncharov
,
Q.
Zhu
,
S. E.
Boulfelfel
,
A. O.
Lyakhov
,
E.
Stavrou
,
M.
Somayazulu
,
V. B.
Prakapenka
, and
Z.
Konôpková
,
Science
342
(
6165
),
1502
1505
(
2013
).
14.
Y. M.
Ma
,
M.
Eremets
,
A. R.
Oganov
,
Y.
Xie
,
I.
Trojan
,
S.
Medvedev
,
A. O.
Lyakhov
,
M.
Valle
, and
V.
Prakapenka
,
Nature
458
(
7235
),
182
185
(
2009
).
15.
A. P.
Drozdov
,
M. I.
Eremets
,
I. A.
Troyan
,
V.
Ksenofontov
, and
S. I.
Shylin
,
Nature
525
(
7567
),
73
76
(
2015
).
16.
X.
Dong
,
A. R.
Oganov
,
A. F.
Goncharov
,
E.
Stavrou
,
S.
Lobanov
,
G.
Saleh
,
G.-R.
Qian
,
Q.
Zhu
,
C.
Gatti
,
V. L.
Deringer
,
R.
Dronskowski
,
X.-F.
Zhou
,
V. B.
Prakapenka
,
Z.
Konôpková
,
I. A.
Popov
,
A. I.
Boldyrev
, and
H.-T.
Wang
,
Nat. Chem.
9
(
5
),
440
445
(
2017
).
17.
E.
Stavrou
,
Y.
Yao
,
A. F.
Goncharov
,
S. S.
Lobanov
,
J. M.
Zaug
,
H.
Liu
,
E.
Greenberg
, and
V. B.
Prakapenka
,
Phys. Rev. Lett.
120
(
9
),
096001
(
2018
).
18.
P. M.
Celliers
,
M.
Millot
,
S.
Brygoo
,
R. S.
McWilliams
,
D. E.
Fratanduono
,
J. R.
Rygg
,
A. F.
Goncharov
,
P.
Loubeyre
,
J. H.
Eggert
,
J. L.
Peterson
,
N. B.
Meezan
,
S.
Le Pape
,
G. W.
Collins
,
R.
Jeanloz
, and
R. J.
Hemley
,
Science
361
(
6403
),
677
682
(
2018
).
19.
X.
Dong
,
A. R.
Oganov
,
G.
Qian
,
X.-F.
Zhou
,
Q.
Zhu
, and
H.-T.
Wang
, e-print arXiv:1503.00230 [cond-mat.mtrl-sci] (
2015
).
20.
R. J.
Hemley
,
Annu. Rev. Phys. Chem.
51
,
763
800
(
2000
).
21.
E.
Stavrou
,
S.
Lobanov
,
H.
Dong
,
A. R.
Oganov
,
V. B.
Prakapenka
,
Z.
Konôpková
, and
A. F.
Goncharov
,
Chem. Mater.
28
(
19
),
6925
6933
(
2016
).
22.
A. F.
Goncharov
,
S. S.
Lobanov
,
I.
Kruglov
,
X.-M.
Zhao
,
X.-J.
Chen
,
A. R.
Oganov
,
Z.
Konôpková
, and
V. B.
Prakapenka
,
Phys. Rev. B
93
(
17
),
174105
(
2016
).
23.
W.
Grochala
,
R.
Hoffmann
,
J.
Feng
, and
N. W.
Ashcroft
,
Angew. Chem., Int. Ed.
46
,
3620
3642
(
2007
).
24.
M.-S.
Miao
and
R.
Hoffmann
,
Acc. Chem. Res.
47
(
4
),
1311
1317
(
2014
).
25.
A.
Dewaele
,
N.
Worth
,
C. J.
Pickard
,
R. J.
Needs
,
S.
Pascarelli
,
O.
Mathon
,
M.
Mezouar
, and
T.
Irifune
,
Nat. Chem.
8
,
784
(
2016
).
26.
W. L.
Vos
,
L. W.
Finger
,
R. J.
Hemley
,
J. Z.
Hu
,
H. K.
Mao
, and
J. A.
Schouten
,
Nature
358
,
46
(
1992
).
27.
P.
Loubeyre
,
M.
Jean-Louis
,
R.
LeToullec
, and
L.
Charon-Gérard
,
Phys. Rev. Lett.
70
(
2
),
178
181
(
1993
).
28.
V. V.
Struzhkin
,
D.
Kim
,
E.
Stavrou
,
T.
Muramatsu
,
H.
Mao
,
C. J.
Pickard
,
R. J.
Needs
,
V. B.
Prakapenka
, and
A. F.
Goncharov
,
Nat. Commun.
7
,
12267
(
2016
).
29.
Z. M.
Geballe
,
H.
Liu
,
A. K.
Mishra
,
M.
Ahart
,
M.
Somayazulu
,
Y.
Meng
,
M.
Baldini
, and
R. J.
Hemley
,
Angew. Chem., Int. Ed.
57
(
3
),
688
692
(
2018
).
30.
C.
Pépin
,
P.
Loubeyre
,
F.
Occelli
, and
P.
Dumas
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
112
(
25
),
7673
7676
(
2015
).
31.
C. M.
Pépin
,
A.
Dewaele
,
G.
Geneste
,
P.
Loubeyre
, and
M.
Mezouar
,
Phys. Rev. Lett.
113
(
26
),
265504
(
2014
).
32.
D.
Laniel
,
V.
Svitlyk
,
G.
Weck
, and
P.
Loubeyre
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
20
(
6
),
4050
4057
(
2018
).
33.
D. K.
Spaulding
,
G.
Weck
,
P.
Loubeyre
,
F.
Datchi
,
P.
Dumas
, and
M.
Hanfland
,
Nat. Commun.
5
,
5739
(
2014
).
34.
A. F.
Goncharov
,
N.
Holtgrewe
,
G.
Qian
,
C.
Hu
,
A. R.
Oganov
,
M.
Somayazulu
,
E.
Stavrou
,
C. J.
Pickard
,
A.
Berlie
,
F.
Yen
,
M.
Mahmood
,
S. S.
Lobanov
,
Z.
Konôpková
, and
V. B.
Prakapenka
,
J. Chem. Phys.
142
(
21
),
214308
(
2015
).
35.
H.
Wang
,
M. I.
Eremets
,
I.
Troyan
,
H.
Liu
,
Y.
Ma
, and
L.
Vereecken
,
Sci. Rep.
5
,
13239
(
2015
).
36.
P.
Loubeyre
,
R.
Le Toullec
, and
J. P.
Pinceaux
,
Phys. Rev. B
36
(
7
),
3723
3730
(
1987
).
37.
P.
Loubeyre
,
R.
Letoullec
, and
J. P.
Pinceaux
,
J. Phys.: Condens. Matter
3
(
18
),
3183
(
1991
).
38.
P.
Loubeyre
,
R.
LeToullec
,
D.
Hausermann
,
M.
Hanfland
,
R. J.
Hemley
,
H. K.
Mao
, and
L. W.
Finger
,
Nature
383
(
6602
),
702
704
(
1996
).
39.
O.
Pfaffenzeller
,
D.
Hohl
, and
P.
Ballone
,
Phys. Rev. Lett.
74
(
13
),
2599
2602
(
1995
).
40.
M. A.
Morales
,
E.
Schwegler
,
D.
Ceperley
,
C.
Pierleoni
,
S.
Hamel
, and
K.
Caspersen
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
106
(
5
),
1324
1329
(
2009
).
41.
M.
Schöttler
and
R.
Redmer
,
Phys. Rev. Lett.
120
(
11
),
115703
(
2018
).
42.
J.
Vorberger
,
I.
Tamblyn
,
B.
Militzer
, and
S. A.
Bonev
,
Phys. Rev. B
75
(
2
),
024206
(
2007
).
43.
J.
Lim
and
C.-S.
Yoo
,
Phys. Rev. Lett.
120
(
16
),
165301
(
2018
).
44.
R.
Turnbull
,
M.-E.
Donnelly
,
M.
Wang
,
M.
Peña-Alvarez
,
C.
Ji
,
P.
Dalladay-Simpson
,
H.-k.
Mao
,
E.
Gregoryanz
, and
R. T.
Howie
,
Phys. Rev. Lett.
121
(
19
),
195702
(
2018
).
45.
A. F.
Goncharov
,
S. S.
Lobanov
,
V. B.
Prakapenka
, and
E.
Greenberg
,
Phys. Rev. B
95
(
14
),
140101
(
2017
).
46.
H. K.
Mao
,
J.
Xu
, and
P. M.
Bell
,
J. Geophys. Res.: Solid Earth
91
(
B5
),
4673
4676
, https://doi.org/10.1029/jb091ib05p04673 (
1986
).
47.
Y.
Akahama
,
Y.
Mizuki
,
S.
Nakano
,
N.
Hirao
, and
Y.
Ohishi
,
J. Phys.: Conf. Ser.
950
(
4
),
042060
(
2017
).
48.
Y.
Fei
,
A.
Ricolleau
,
M.
Frank
,
K.
Mibe
,
G.
Shen
, and
V.
Prakapenka
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
104
(
22
),
9182
9186
(
2007
).
49.
L. S.
Dubrovinsky
,
S. K.
Saxena
, and
P.
Lazor
,
Phys. Chem. Miner.
25
(
6
),
434
441
(
1998
).
50.
P.
Loubeyre
,
R.
LeToullec
, and
J. P.
Pinceaux
,
Phys. Rev. B
45
(
22
),
12844
12853
(
1992
).
51.
Z.
Liu
,
J.
Botana
,
A.
Hermann
,
S.
Valdez
,
E.
Zurek
,
D.
Yan
,
H.-q.
Lin
, and
M.-s.
Miao
,
Nat. Commun.
9
(
1
),
951
(
2018
).
52.
R. J.
Hemley
,
H. K.
Mao
, and
J. F.
Shu
,
Phys. Rev. Lett.
65
(
21
),
2670
2673
(
1990
).
53.
H.-k.
Mao
and
R. J.
Hemley
,
Rev. Mod. Phys.
66
(
2
),
671
692
(
1994
).
54.
R. T.
Howie
,
I. B.
Magdău
,
A. F.
Goncharov
,
G. J.
Ackland
, and
E.
Gregoryanz
,
Phys. Rev. Lett.
113
(
17
),
175501
(
2014
).
55.
C.
Ji
,
A. F.
Goncharov
,
V.
Shukla
,
N. K.
Jena
,
D.
Popov
,
B.
Li
,
J.
Wang
,
Y.
Meng
,
V. B.
Prakapenka
,
J. S.
Smith
,
R.
Ahuja
,
W.
Yang
, and
H.-k.
Mao
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
114
(
14
),
3596
3600
(
2017
).
56.
H. K.
Mao
,
R. J.
Hemley
,
Y.
Wu
,
A. P.
Jephcoat
,
L. W.
Finger
,
C. S.
Zha
, and
W. A.
Bassett
,
Phys. Rev. Lett.
60
(
25
),
2649
2652
(
1988
).
57.
P.
Loubeyre
,
R.
LeToullec
,
J. P.
Pinceaux
,
H. K.
Mao
,
J.
Hu
, and
R. J.
Hemley
,
Phys. Rev. Lett.
71
(
14
),
2272
2275
(
1993
).
58.
A.
Driessen
,
E.
van der Poll
, and
I. F.
Silvera
,
Phys. Rev. B
33
(
5
),
3269
3288
(
1986
).
59.
M. S.
Somayazulu
,
L. W.
Finger
,
R. J.
Hemley
, and
H. K.
Mao
,
Science
271
(
5254
),
1400
1402
(
1996
).
60.
M.
Somayazulu
,
P.
Dera
,
A. F.
Goncharov
,
S. A.
Gramsch
,
P.
Liermann
,
W.
Yang
,
Z.
Liu
,
H.-k.
Mao
, and
R. J.
Hemley
,
Nat. Chem.
2
,
50
(
2009
).
61.
S.
Ninet
,
G.
Weck
,
P.
Loubeyre
, and
F.
Datchi
,
Phys. Rev. B
83
(
13
),
134107
(
2011
).
62.
Y.
Akahama
and
H.
Kawamura
,
Phys. Rev. B
54
(
22
),
R15602
R15605
(
1996
).
63.
G.
Weck
,
P.
Loubeyre
, and
R.
LeToullec
,
Phys. Rev. Lett.
88
(
3
),
035504
(
2002
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.