Hcp superjoninis ledas perrašo ledinių milžinų vidų

Tokiomis sąlygomis, kurios skamba labiau kaip mokslinė fantastika nei laboratorinis darbas, vanduo virsta tuo, kas nėra nei kieta, nei skysta, ir gauta medžiaga gali perrašyti mūsų vaizdinį apie ledinių milžinų vidų.

Tyrimas kilo iš eksperimento, kuris suspaudė ir įkaitino smulkius vandens lašelius iki tol, kol jie ėmė elgtis taip, kaip įprastas ledas niekada nedaro. Naudodami deimantines priekalas, kad sukurtų slėgį, viršijantį 200 gigapaskalų (maždaug 2,3 milijono kartų Žemės atmosferos slėgį), ir fokusuotus lazerius, kad temperatūra pakiltų virš 2,600 kelvinų, komanda tirto atomų karkasą tiksliu sinchrotrono rentgeno spinduliu.

Tyrėjai, vadovaujami Alexio Forestier, pastebėjo, kad esant ekstremaliam slėgiui ir temperatūrai formuojasi hexagonaliai arti supakuotas (hcp) superjoninis ledas, fazė, ilgai numatyta teorijoje, bet iki šiol aiškiai neaptikta laboratorijoje.

Kas daro superjoninį ledą toks keistas, tai jo padalinta asmenybė: deguonies atomai sustingsta vietoje, išsidėstydami į kristalinį tinklelį, tuo tarpu vandenilio branduoliai (iš esmės protonai) teka per tą tinklelį kaip skystis. Toks judrumas suteikia medžiagai elektros ir transporto savybių, neturinčių analogų įprastiniuose kietuose kūnuose.

Deguonies ir vandenilio duetas superjoniniame lede.

Ankstesni eksperimentai jau atskleidė veidais centrinę kubinę (fcc) superjoninę sandarą. Tačiau Forestier eksperimentuose rentgeno difrakcijos modeliai atskleidė kitokį deguonies sluoksnių išdėstymą — hexagonalinį arti supakuotą motyvą — kuris atsirado ir sustiprėjo kylant slėgiui ir temperatūrai. Maždaug prie 1,700 kelvinų tinklas rodė požymius, atitinkančius superjoninio elgesio pradžią. Maždaug prie 2,200–2,600 kelvinų ir slėgių virš 197 gigapaskalų hcp signalas dominuodavo spektruose.

Pereiga nuo fcc prie hcp atomų mastu yra subtili — tai keitimasis, kaip identiški deguonies sferų sluoksniai yra išdėstyti — bet subtilu dar nereiškia nereikšminga. Medžiagos su skirtingu atominiu išdėstymu gali laiduoti elektrą ir deformuotis esant įtempimui radikaliai skirtingai. Jei hcp superjoninis ledas laiduotų krūvį arba mechaniškai pasiduotų kitaip nei jo fcc giminaitis, tai galėtų pakeisti modelius, kaip krūvis ir šiluma juda per Urano ir Neptūno mantijas.

Sąlygos, kuriomis tyrėjai stebėjo naują hcp ledo fazę (užpildytos trikampės ir užpildyti apskritimai), rodo jos atsiradimą esant ekstremaliam slėgiui ir temperatūrai. 

Kodėl tai svarbu? Nes šie du milžinai elgiasi keistai. Jų magnetiniai laukai yra neįprastai pasvirę ir nukrypę, netvarkingi palyginti su tvarkingu dipoliu, kurį matome Žemėje. Viena iš pagrindinių idėjų yra ta, kad egzotiškos, laidžios vandens ledo formos jų viduje prisideda prie tų keistų laukų generavimo. Naujos stabilios superjoninės ledo fazės radimas prideda naują detalę prie galvosūkio.

Eksperimentinis kelias link šio rezultato derino jėgą ir subtilumą. Deimantai suteikė suspaudimą, lazeriai suteikė kaitrą, o sinchrotronas atskleidė difrakcinius pikas — smulkias atomų tvarkos pirštų atspaudus. Komanda netgi peržiūrėjo ankstesnius duomenis ir rado silpną difrakcijos piką virš 130 gigapaskalų, kurį dabar galima interpretuoti kaip ankstyvą hcp užuominą — įrodymą, kad fazė galėjo būti sukurta anksčiau, bet nepastebėta.

Dar liko darbo. Straipsnyje pranešama apie struktūrinį atradimą ir pateikiamos slėgio ir temperatūros koordinatės, kuriose atsiranda hcp, bet lieka klausimų apie tai, kiek elektriškai laidus ar mechaniškai plastinis yra ši nauja fazė ir kaip lengvai ji konvertuojasi atgal į fcc esant kintančioms sąlygoms. Autoriai kviečia teorinius ir eksperimentinius tęstinumus, kad būtų sužymėtos šios savybės ir nustatytos stabilumo ribos.

Iš pirmo žvilgsnio tai atomų pertvarkymas. Planetos mastu tai gali būti lemiamas pokytis.

Forestier ir kolegos paskelbė savo atradimą žurnale Physical Review Letters 2026 m. Kitas žingsnis: išsiaiškinti, ką šis ledas iš tikrųjų sugeba, kai jis veikia planetos viduje.