科学家在地球上发现奇异形态的热冰

科学家在地球上发现奇异形态的热冰
在这幅艺术渲染图中,从左到右,大功率激光束聚焦在一个钻石表面,产生一系列穿透水样本的冲击波,同时压缩和加热最初的液体样本,迫使其冻结成超离子导体冰。
绘图:MILLOT、COPPARI、HAMEL、KRAUSS (LLNL)

撰文:ADAM MANN

  从南极洲的海洋到冰箱深处,地球上大部分的冰都是相对温和的东西。然而,在整个太阳系内外,极端的温度和压力可以将冰挤压成越来越奇怪的种类。

  最近,研究人员拍摄了可能是冰的最新种类的x射线图像:一种被称为超离子导体冰的超导材料。正如研究小组近日在《自然》杂志上报告的那样,这种冰存在于100-400万个标准大气压、太阳表面温度一半的条件下。
  
  “是的,我们谈论的是冰,”研究负责人、加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室的物理学家Marius Millot说。“不过,样本存在于几千度的高温下。”

  虽然上述条件在地球上通常无法实,但天王星和海王星的深处应该存在,这可能有助于解释这些遥远行星的工作原理,比如其不寻常的磁场的起源。

超越冯内古特

  科学家们已经知道17种结晶冰(库尔特·冯内古特的粉丝们可能会松一口气,因为与虚构的相似物相比,“冰九”无毒无害)。30多年前,物理学家预测,巨大的压力可将水挤压成超离子导体形态。

  超离子导体材料一部分是固体,一部分是液体,在微观层面上由晶格组成,其中渗透着可携带电荷的自由漂浮的原子核。在水中,氧原子会压缩成凝固的晶体,而氢的质子则会像液体一样四处流动。(最近,另一组研究钾的科学家证实了一种固态和液态同时存在的物质。)

  “这是一种相当奇特的物质,”利弗莫尔实验室的研究合作者Federica Coppari说。

科学家在地球上发现奇异形态的热冰
在这张x射线衍射实验的时间集成照片中,巨大的激光束聚焦在水样本上,水样本放置于用来记录衍射图案的诊断工具的前板上。额外的激光束从铁箔上产生x射线闪光,使研究人员能够拍摄被压缩和加热的水层的快照。
摄影:MILLOT、COPPARI、KOWALUK (LLNL)

  去年,Millot、Coppari和同事发现了超离子导体冰存在的第一个证据,他们利用钻石砧和激光诱导的冲击波压缩液态水,将液态水变成了固态冰,并持续了几十亿分之一秒。研究小组的测量结果表明,水冰的导电性在短时间内比以前增强了数百倍,这强烈暗示着水冰已经变成了超离子导体。

  在最新的测试中,研究人员使用了六个巨大的激光束来产生一系列的冲击波,在数百万倍于地球表面的压力和1650℃-2760℃的温度下,将一层薄薄的液态水压缩成凝固的冰。精确计时的x射线闪光探测到了这种结构,新物质又一次只持续了几十亿分之一秒,表明氧原子确实呈现出了晶体的形态。
  
  研究者看到氧气被紧紧地塞入面心立方体:每个角落都有一个原子,每一边中间位置都有一个原子。Coppari称,这是科学家首次观察到水冰具有这样的结构。研究小组建议将这个新结构命名为“冰十八”。

  尽管该团队的两个实验在实验条件上有一些相同之处,但仍有必要进行更深入的研究,以明确证明这种冰是超离子导体,普林斯顿大学的物理学家Roberto Car说,他没有参与新研究。尽管如此,他仍认为这项研究是水的多样性的一个重要例证。

  “物质能够排列成如此多的形态,这一事实确实很令人吃惊,”他说。

磁场谜团

  研究小组的结果已经为天王星和海王星的模型提供了信息。这些巨大的行星通常被称为冰巨星,其构成大约65%是水,再加上一些氨和甲烷,这些物质形成的地层很像地球的岩石金属表面、地幔和地核。
  
  新实验表明,天王星和海王星应该有一个超离子导体冰层,其作用就像人类地球的地幔一样,主要由仍在极长的地质时间尺度上变化的固体岩石构成。这可能有助于解释为什么天王星和海王星拥有不寻常的磁场。
  
  地球、木星和土星的磁场都被认为是由其核心附近的导电液体流动产生。这些行星的磁场与其轴相当紧密地排列在一起,就好像它们来自穿过行星中心的条形磁铁。

  相比之下,海王星的磁场似乎来自一个内部的条形磁铁,该磁铁已经向转向一侧,而其两端则源于赤道的中间位置。天王星则更古怪,就像一块翻转的条形磁铁,也就是说其南磁极源于这颗行星的北半球。科学家猜测这两颗冰巨星的磁场都不稳定。

  Millot认为,在天王星和海王星的超离子导体冰层的顶部边缘可能存在一个液体层,而且这个液体层中的水也极其容易导电。这些行星的磁场可能起源于这里,比其他星球的磁场离星球表面更近,这可能有助于解释其不稳定的特性。由于天文学家已经发现了许多与海王星和天王星大小相当的系外行星,新发现可能适用于宇宙中深处的天体。

(译者:流浪狗)
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