科學家在地球上發現奇異形態的熱冰

在這幅藝術渲染圖中，從左到右，大功率激光束聚焦在一個鑽石表面，產生一系列穿透水樣本的衝擊波，同時壓縮和加熱最初的液體樣本，迫使其凍結成超離子導體冰。

繪圖：MILLOT、COPPARI、HAMEL、KRAUSS （LLNL）

撰文：ADAM MANN

從南極洲的海洋到冰箱深處，地球上大部分的冰都是相對溫和的東西。然而，在整個太陽系內外，極端的溫度和壓力可以將冰擠壓成越來越奇怪的種類。

最近，研究人員拍攝了可能是冰的最新種類的x射線圖像：一種被稱為超離子導體冰的超導材料。正如研究小組近日在《自然》雜誌上報告的那樣，這種冰存在於100-400萬個標準大氣壓、太陽表面溫度一半的條件下。

「是的，我們談論的是冰，」研究負責人、加州勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的物理學家Marius Millot說。「不過，樣本存在於幾千度的高溫下。」

雖然上述條件在地球上通常無法實，但天王星和海王星的深處應該存在，這可能有助於解釋這些遙遠行星的工作原理，比如其不尋常的磁場的起源。

超越馮內古特

科學家們已經知道17種結晶冰（庫爾特·馮內古特的粉絲們可能會鬆一口氣，因為與虛構的相似物相比，「冰九」無毒無害）。30多年前，物理學家預測，巨大的壓力可將水擠壓成超離子導體形態。

超離子導體材料一部分是固體，一部分是液體，在微觀層面上由晶格組成，其中滲透著可攜帶電荷的自由漂浮的原子核。在水中，氧原子會壓縮成凝固的晶體，而氫的質子則會像液體一樣四處流動。（最近，另一組研究鉀的科學家證實了一種固態和液態同時存在的物質。）

「這是一種相當奇特的物質，」利弗莫爾實驗室的研究合作者Federica Coppari說。

在這張x射線衍射實驗的時間集成照片中，巨大的激光束聚焦在水樣本上，水樣本放置於用來記錄衍射圖案的診斷工具的前板上。額外的激光束從鐵箔上產生x射線閃光，使研究人員能夠拍攝被壓縮和加熱的水層的快照。

攝影：MILLOT、COPPARI、KOWALUK （LLNL）

去年，Millot、Coppari和同事發現了超離子導體冰存在的第一個證據，他們利用鑽石砧和激光誘導的衝擊波壓縮液態水，將液態水變成了固態冰，並持續了幾十億分之一秒。研究小組的測量結果表明，水冰的導電性在短時間內比以前增強了數百倍，這強烈暗示著水冰已經變成了超離子導體。

在最新的測試中，研究人員使用了六個巨大的激光束來產生一系列的衝擊波，在數百萬倍於地球表面的壓力和1650℃-2760℃的溫度下，將一層薄薄的液態水壓縮成凝固的冰。精確計時的x射線閃光探測到了這種結構，新物質又一次只持續了幾十億分之一秒，表明氧原子確實呈現出了晶體的形態。

研究者看到氧氣被緊緊地塞入面心立方體：每個角落都有一個原子，每一邊中間位置都有一個原子。Coppari稱，這是科學家首次觀察到水冰具有這樣的結構。研究小組建議將這個新結構命名為「冰十八」。

儘管該團隊的兩個實驗在實驗條件上有一些相同之處，但仍有必要進行更深入的研究，以明確證明這種冰是超離子導體，普林斯頓大學的物理學家Roberto Car說，他沒有參與新研究。儘管如此，他仍認為這項研究是水的多樣性的一個重要例證。

「物質能夠排列成如此多的形態，這一事實確實很令人吃驚，」他說。

磁場謎團

研究小組的結果已經為天王星和海王星的模型提供了信息。這些巨大的行星通常被稱為冰巨星，其構成大約65%是水，再加上一些氨和甲烷，這些物質形成的地層很像地球的岩石金屬表面、地幔和地核。

新實驗表明，天王星和海王星應該有一個超離子導體冰層，其作用就像人類地球的地幔一樣，主要由仍在極長的地質時間尺度上變化的固體岩石構成。這可能有助於解釋為什麼天王星和海王星擁有不尋常的磁場。

地球、木星和土星的磁場都被認為是由其核心附近的導電液體流動產生。這些行星的磁場與其軸相當緊密地排列在一起，就好像它們來自穿過行星中心的條形磁鐵。

相比之下，海王星的磁場似乎來自一個內部的條形磁鐵，該磁鐵已經向轉向一側，而其兩端則源於赤道的中間位置。天王星則更古怪，就像一塊翻轉的條形磁鐵，也就是說其南磁極源於這顆行星的北半球。科學家猜測這兩顆冰巨星的磁場都不穩定。

Millot認為，在天王星和海王星的超離子導體冰層的頂部邊緣可能存在一個液體層，而且這個液體層中的水也極其容易導電。這些行星的磁場可能起源於這裡，比其他星球的磁場離星球表面更近，這可能有助於解釋其不穩定的特性。由於天文學家已經發現了許多與海王星和天王星大小相當的系外行星，新發現可能適用於宇宙中深處的天體。

（譯者：流浪狗）

來源：國家地理中文網（官V）

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