「超離子冰」的原子結構終於被揭示！

來自勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LLNL)的科學家們使用巨型激光將水快速凍結到它奇特的超電子相中，並記錄下x射線衍射圖，首次確定了它的原子結構——這一切都發生在十億分之一秒之內。這些發現成果發表在2019年5月1日的《自然》上。1988年科學家們首次預測，水將轉變為一種奇特的物質狀態，其特徵是：在富含水的巨大行星(如天王星和海王星)內部，當遇到極端的壓力和溫度時，就會出現固態的氧晶格和液態的氫超離子冰共存。

這些預測一直持續到2018年，當時由LLNL的科學家領導一個團隊提出了這種奇怪水狀態的第一個實驗證據。現在LLNL的科學家們公布了新研究結果，利用激光碟機動的衝擊波和原位x射線衍射，在十億分之一秒內觀察到氧晶格的成核，首次揭示了超離子冰的微觀結構，這些數據還提供了對冰巨行星內部結構的進一步了解。LLNL物理學家費代麗卡·科帕里(Federica Coppari)說：我們想確定超聲速水的原子結構。

（圖示）在這張激光壓縮實驗的藝術化渲染圖中，大功率激光聚焦在鑽石表面，產生一系列衝擊波，從左到右傳播到整個樣品組件，同時壓縮和加熱最初的液態水樣品，迫使它凍結成超離子水冰相。圖片：Millot, Coppari, Hamel, Krauss (LLNL)

但考慮到預測這種難以捉摸的物質狀態是穩定的極端條件，將水壓縮到這樣的壓力和溫度，同時拍攝原子結構的快照是一項極其困難的任務，這需要創新的實驗設計。研究人員在羅切斯特大學激光能量學實驗室(LLE)的Omega激光設備上進行了一系列實驗。用六束巨大的激光束產生一系列強度逐漸增加的衝擊波，將一層薄薄的初始液態水壓縮到極限壓力(100-400吉帕(GPa)，或者是地球大氣壓力的100-400萬倍)和溫度(3000 - 5000華氏度)。

LLNL的物理學家和合著者之一馬利尤斯·米洛(Marius Millot)說：我們設計的實驗是為了壓縮水，使其凍結成固態冰，但不確定冰晶是否真的會在十億分之一秒內形成和生長。記錄了結晶過程並確認了原子結構，研究小組用16個額外的激光脈衝炸了一個小鐵箔，形成了一個熱等離子體，產生了精確定時的閃光，照亮了被壓縮的水樣本，這些水樣本一旦進入超離子冰的預測穩定區域。測量的x射線衍射圖是緻密冰晶在超快衝擊波壓縮過程中形成的一個明確特徵，這表明固態冰從液態水成核的速度足以在實驗的納秒級觀察到。

（圖示）在這張x射線衍射實驗的時間合成照片中，巨大激光聚焦在水樣上，放在用來記錄衍射圖樣的診斷儀器的前板上，將水樣壓縮成優勢相。額外的激光束會從鐵箔上產生x射線閃光，這使得研究人員能夠對壓縮/熱水層進行快照，診斷監視激光脈衝的時間歷史和發出的x射線源亮度。圖片：Millot, Coppari, Kowaluk (LLNL)

在之前的研究中，只能測量宏觀性質，如內能和溫度。因此設計了一個新的不同實驗來記錄原子結構。找到氧晶格存在的直接證據，為超級水冰的存在之謎帶來了最後一塊缺失。這為研究人員去年收集到超級冰的存在提供了額外的證據。

分析了x射線衍射圖在不同實驗中是如何變化，這些實驗探索了壓力和溫度條件的增加，研究小組確定了緻密水冰的相變為以前未知的面心立方原子結構。已知水有許多不同的晶體結構，稱為冰Ih、冰II、冰III，一直到冰17。因此，提議將這種新的fcc固態形式命名為『ice XVIII』。

計算機模擬已經為超級冰提出了許多不同的可能的晶體結構，研究為數值方法提供了一個關鍵的測試。該團隊的數據對冰巨行的內部結構有著深遠影響，由於超級冰最終是固態的，所以認為這些行星具有均勻快速對流流體層的觀點不再成立。因為天王星和海王星內部的水冰有一個晶格，所以超離子冰不應該像地球外核那樣流動。相反，最好的設想是，超級冰的流動將與地幔相似，地幔由固體岩石構成，但在非常長的地質時間尺度上流動並支持大規模對流運動。這可能會極大地影響我們對內部結構的理解，以及對這些冰冷巨行星及其眾多太陽系外表親的演化。

博科園｜研究/來自: 勞倫斯利弗莫爾國家實驗室

參考期刊自然》,《Nature Physics》

DOI: 10.1038/s41586-019-1114-6

DOI: 10.1038/s41567-017-0017-4

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