高功率激光助力科学家发现高密度、超高温冰的新阶段

2023-10-11 09:30

众所周知，我们太阳系的外行星天王星和海王星是富含水的气态巨行星。这些行星的极端压力是地球大气层的200万倍。它们的内部也像太阳表面一样热。在这些条件下，水呈现出奇异的高密度冰相。

研究人员最近观察到了其中一个阶段，称为 Ice XIX，首次使用高功率激光重现必要的极端条件。海王星模型显示了新发现的体心立方超离子冰XIX可能存在的深度。它可以解释海王星的多极磁场（紫色），这是由于相对于旋转轴（绿色）的导电性和倾斜度增加所致。

图片来源：SLAC 国家加速器实验室

研究人员使用直线加速器相干光源（一种开创性的 X 射线激光设备）的极端条件下的物质仪器测量了Ice XIX结构，发现氧原子以体心立方结构排列，而氢原子则像流体一样自由移动，从而大大提高了导电性。他们的论文发表在《科学报告》上。

航行者二号是NASA于1977年发射的太阳系探索航天器，测量了天王星和海王星周围极不寻常的磁场。科学家们认为所谓的超离子冰的奇异状态是一种可能的解释，因为这些状态的电导率增加了。这项工作证明了先前未被发现的Ice XIX相的存在。它表明该相可以在正确的深度形成，并有助于解释航海者二号磁数据。

水是太阳系中普遍存在的一种化合物，也是生命所必需的，它表现出异常复杂的压力－温度相图，其中已识别出18个结晶冰相。没有什么地方比天王星和海王星等气态巨行星的内部更重要的致密冰相了。科学家推测，这些行星的复杂磁场是由具有超离子特性的水冰的奇异高压状态产生的。然而，在这些极端条件下，冰的结构很难测量。

研究人员发现，使用直线加速器相干光源的极端条件仪器、超快 X 射线自由电子激光器和能源部（DOE）科学办公室用户设施来探测激光驱动动态压缩过程中的冰结构高密度超热水冰新阶段的第一个直接证据。

在200GPa（200万个大气压）和5000K（8500°F）下，这种新的高压冰相（被称为Ice XIX）具有体心立方（BCC）晶格结构。尽管理论上其他结构在这些条件下是稳定的，但Ice XIX的BCC结构将使冰巨星内部的电导率增加得比以前想象的要深得多。

这些结果提供了航海家二号航天器对天王星和海王星测量的多极磁场的重要且令人信服的起源。

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