Обнаружена новая фаза сверхгорячего льда высокой плотности
Планеты Уран и Нептун представляют собой богатые водой газовые гиганты. На них экстремальное давление в 2 миллиона раз превышает давление в атмосфере Земли. Они также горячи, как поверхность Солнца. В этих условиях вода демонстрирует экзотические фазы льда высокой плотности. Используя мощные лазеры для воспроизведения необходимых экстремальных условий, физики впервые наблюдали одну из этих фаз, получившую название «Лед XIX» (Ice XIX). Они измерили структуру Ice XIX с помощью прибора «Материя в экстремальных условиях» в Linac Coherent Light Source, новаторской рентгеновской лазерной установке, чтобы показать, что атомы кислорода упаковываются в объемно-центрированную кубическую структуру, в то время как атомы водорода движутся свободно, как жидкость, резко увеличивающая проводимость. Их статья была опубликована в журнале Scientific Reports.
Модель Нептуна, показывающая глубины, где мог существовать недавно обнаруженный объемноцентрированный кубический суперионный Лед XIX. Это может объяснить многополярное магнитное поле Нептуна (фиолетовое) из-за повышенной проводимости и наклона относительно оси вращения (зеленого).
Фото: Национальная ускорительная лаборатория SLAC.
«Вояджер-2», космический корабль НАСА для исследования солнечной системы, запущенный в 1977 году, измерил весьма необычные магнитные поля вокруг Урана и Нептуна. В качестве возможного объяснения ученые рассматривали экзотические состояния так называемого суперионного льда, связанные с повышенной электропроводностью этих состояний. Эта работа демонстрирует существование ранее не обнаруженной ледовой фазы XIX. Это показывает, что эта фаза может формироваться на нужных глубинах и помогает объяснить магнитные данные «Вояджера-2».
Вода, соединение, которое повсеместно встречается в нашей солнечной системе и необходимо для жизни, демонстрирует исключительно сложную фазовую диаграмму давление-температура с уже идентифицированными 18 фазами кристаллического льда. Нигде фазы плотного льда не являются более важными, чем в недрах газовых гигантов, таких как Уран и Нептун. Ученые предполагают, что сложные магнитные поля этих планет создаются экзотическими состояниями водяного льда с высоким давлением и суперионными свойствами. Однако структуру льда в таких экстремальных условиях измерить очень сложно.
Используя инструмент Matter at Extreme Conditions на источнике когерентного света Linac, сверхбыстрый рентгеновский лазер на свободных электронах и пользовательский центр Управления науки Министерства энергетики (DOE), для исследования структуры льда во время лазерного динамического сжатия, исследователи обнаружили первое прямое свидетельство новой фазы сверхплотного и сверхгорячего водяного льда.
При 200 ГПа (2 миллиона атмосфер) и 5000 К (8500°F) эта новая ледяная фаза высокого давления, называемая Лед XIX, имеет структуру объемноцентрированной кубической (BCC) решетки. Хотя предполагалось, что другие структуры стабильны в этих условиях, структура BCC Ice XIX позволит увеличить электропроводность гораздо глубже в недра ледяных гигантов, чем считалось ранее.
Результаты обеспечивают важное и убедительное происхождение многополярных магнитных полей, измеренных космическим кораблем «Вояджер II» у Урана и Нептуна.
