Ученые создали новую форму льда при температуре более 2000 °C
Международная группа исследователей впервые экспериментально подтвердила существование редкой кристаллической фазы суперионного льда с гексагональной плотной упаковкой (hcp). Вещество удалось получить в экстремальных условиях — при температуре свыше 2300 °C и колоссальном давлении в 2,3 миллиона атмосфер. Результаты работы, опубликованные в журнале Physical Review Letters, раскрывают ранее неизвестное поведение воды в глубинах планет-гигантов.
Экстремальное состояние материи
Привычная нам вода обладает множеством аномальных свойств, однако в экстремальных средах ее поведение становится еще более удивительным. При нагревании до тысяч градусов жидкость обычно стремительно превращается в пар, расширяясь в объеме. Но если зажать воду колоссальным давлением, испарение блокируется: молекулы не могут разойтись и формируют так называемый суперионный лед — гибридное состояние материи, находящееся на стыке твердого тела и жидкости.
В суперионном состоянии атомы кислорода выстраиваются в жесткую кристаллическую решетку, характерную для твердых тел, тогда как протоны водорода свободно циркулируют сквозь нее, словно частицы жидкости. До недавнего времени физикам удавалось наблюдать преимущественно гранецентрированную кубическую фазу (fcc) такого льда, однако теория предсказывала существование и других конфигураций.
Алмазные наковальни и лазерный нагрев
Чтобы заглянуть в недоступные глубины материи, физики поместили микроскопические капли воды между остриями алмазных наковален и сжали их до 230 гигапаскалей, попутно нагревая инфракрасными лазерами. С помощью сверхтонкого пучка синхротронного рентгеновского излучения ученые в реальном времени следили за перестройкой кристаллической решетки.
При давлении выше 197 гигапаскалей и температуре около 2000 градусов Цельсия четко зафиксирован переход структуры в фазу hcp. В ней слои атомов кислорода уложены иначе, чем в кубической решетке. Эксперименты подтвердили: при давлениях свыше 200 гигапаскалей именно гексагональная структура становится доминирующей и наиболее стабильной.
Ключ к загадкам Урана и Нептуна
Открытие имеет первостепенное значение не только для фундаментальной физики, но и для планетологии. Суперионный лед — это один из главных строительных блоков недр ледяных гигантов Солнечной системы, Урана и Нептуна. Считается, что подвижные протоны обеспечивают льду высокую электропроводность, которая напрямую влияет на формирование планетарного динамо.
Магнитные поля Урана и Нептуна давно интригуют астрофизиков: они сильно наклонены относительно осей вращения и асимметрично смещены от центров планет. Если новая гексагональная фаза льда обладает иной механической пластичностью и проводимостью по сравнению с кубической, это заставит пересмотреть существующие модели циркуляции вещества и токов в их мантиях.
Впереди ученых ждут новые теоретические расчеты и эксперименты, которые помогут составить полную фазовую диаграмму самой удивительной жидкости во Вселенной.
