科学家用激光制造出了超离子冰

用世界上最强大的激光器之一射击一滴水可能不是制造冰块的显而易见的方式。但这确实是一种方法,如果我们想得到外星球核心处的那种冰的话。

科学家们知道奇异冰的存在已有几十年,但只是在最近才设法在实验室里制造出一些更极端的品种。

来自美国芝加哥大学和华盛顿卡内基研究所的研究人员最近进行了一项新的研究,将一滴水放在一个钻石夹子里,调高压力,用激光烹饪,揭示它如何冻结成 “超离子” 状态。

从理论上讲,超离子冰是将水分子排列成一个由氧原子组成的晶格,周围环绕着一群烦躁不安的氢原子,它们不会静止不动。从技术上讲,它是一种冰,但就像液体和固体合二为一。

它也是那种不是在低温下,而是在极端压力下形成的冰。想想在地下深处自然形成的压力水平,或者在海王星等大质量行星的核心附近。

虽然模型预测了这一阶段的水应该出现的一些条件,但当涉及到精确的温度时,它们就有点含混了。

问题的核心是一个叫做三相点的问题–压力和温度的组合,在这个组合中,物质处于融化、冻结和升华的边缘。

让问题更加复杂的是,水可以沉淀成的固体结构的种类也会有所不同。冰有许多形式,取决于其组成元素的排列和运动。

实验可以帮助确定液态和超离子态之间的特征变化路径,但直到现在,它一直是一个真正的挑战,不同方法的观察结果有数百度的差异。

通常情况下,水样需要被置于至少50千兆帕的压力下–是地球大气压的50万倍–然后用高功率激光加热,才能接近看到重要的东西。

因此,当能源部高级光子源(APS)的物理学家小组着手在一个相对温和的20千兆帕的钻石钳内挤压水时,他们并没有期待太多。

来自芝加哥大学的地球物理学家Vitali Prakapenka说:”这是一个惊喜–每个人都认为这个阶段不会出现好东西。”

在他们的超离子冰样品就位后,研究小组能够使用APS加速器产生一束X射线;当散射到冰样品上时,这些X射线显示其原子的位置。

这使他们能够衡量当条件发生变化时,水经历了特定的相变,并描述它转变为超离子冰的步骤。

他们能够在他们的钻石砧座中调节压力,并将其加热到6500度开尔文,使他们能够绘制冰在高温下的两个相变的稳定性,从20一直到150千兆帕。

由于氢原子在奇异冰内移动的方式,可见光很难通过,使其外观呈黑色。

氢原子在晶格中流动的电荷也可能对周围的电磁场产生影响,甚至可能在一个星球自身的保护性磁层的形成中发挥作用。

这对外星世界,甚至是我们自己的星球,我们需要知道它意味着什么。

“这是一种新的物质状态,所以它基本上是一种全新材料,而且可能与我们所想的不同。”

这项研究发表在《自然-物理学》上。

https://www.sciencealert.com/scientists-finally-study-strange-black-superionic-ice-that-could-exist-on-alien-worlds

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