Неизвестное состояние материи может скрываться в нашей Солнечной системе

Несмотря на внешний вид, внутренняя работа ледяных гигантов, таких как Уран и Нептун, крайне хаотична.

Давление в миллионы раз превышает уровень моря на Земле в сочетании с температурой в тысячи градусов, образуя довольно странные материалы.

Теперь новая статья исследователей из Института Карнеги, опубликованная в журнале Nature Communications, описывает совершенно новое состояние материи, которое может существовать в этих экстремальных средах — «квази-1D». суперионная фаза.

Ученым уже давно известно, что эти ледяные планеты не состоят из обычного «льда», как мы могли бы думать о них на Земле. Вместо этого они состоят из горячей, плотной суспензии воды, аммиака и метана.

Но воссоздать условия, в которых образуется эта суспензия, в лаборатории практически невозможно. Для этого потребуется давление в терапаскалях при достаточно высоких температурах, чтобы расплавить большинство контейнеров.

Обычно исследователи прибегают к моделированию, чтобы решить эту проблему – в частности, к модели, известной как «Синтетический Уран», которая имитирует окружающую среду седьмой планеты от Солнца, включая давление и тепло.

Из предыдущих химических исследований мы уже знали, что обычные молекулы, такие как метан, не выживают в своей традиционной форме. Он распадается при давлении около 95 гигапаскалей, образуя богатые водородом материалы наряду с аллотропами углерода, такими как алмаз.

Но даже у этого стиля моделирования есть свои недостатки, и он разрушается при еще более высоких давлениях.

Чтобы решить эту проблему, в статье рассматривается подход с точки зрения первых принципов, позволяющий квантовой механике системы построить всю среду — по крайней мере, настолько, насколько квантовая механика позволяет себя моделировать. в любом случае.

Согласно этому методу моделирования, при давлениях выше 1100 ГПа углерод и водород продолжают образовывать стабильное соединение, но с весьма необычной структурой.

Атомы углерода при таком давлении образуют жесткую твердую решетку, имеющую форму хиральной спирали – по сути, микроскопическую извилистую винтовую лестницу.

Но самое интересное происходит при добавлении тепла. Обычно добавление тепла превращает эту решетчатую структуру в жидкость, позволяя атомам свободно перемещаться.

Но в некоторых других материалах, таких как вода, увеличение тепла приводит к тому, что один набор атомов (в случае воды — кислород) остается в твердом кристалле, в то время как другой (водород) начинает свободно течь. Это известно как «суперионное» состояние.

Между 1000 и 3000 Кельвинов новое соединение CH переходит в суперионное состояние, но с изюминкой. Вместо кислорода, образующего кристаллическую структуру, как это происходит в воде, эта кристаллическая решетка формируется из атомов углерода.

Атомы водорода, хотя и ограничены углеродной решеткой, демонстрируют суперионную диффузию вдоль винтовой «лестницы» (ось z) в сочетании с вращательным движением в поперечной (xy) плоскости.

Эти атомы водорода могут легко течь вверх или вниз по лестнице, но в других направлениях они, похоже, скорее вращаются, чем вращаются. двигаться.

Это однонаправленное движение с двумерным вращением заставило исследователей отнести его к гибридному типу «диффузионной размерности» – первому в мире квазиодномерному суперионному состоянию.

Все это хорошо в теории, но что это означает на практике? Наиболее заметное воздействие заключается в том, что свойства материала становятся анизотропными – то есть они изменяются в зависимости от направления, в котором вы их измеряете.

Например, кажется, что материал очень хорошо проводит тепло и электричество по оси «лестницы», но не так сильно по любой из двух других. Кроме того, несмотря на то, что у него есть движущиеся атомы водорода (которые заряжены положительно), в электропроводности, по-видимому, все еще преобладают движущиеся электроны.

По теме: Ученые открывают новое квантовое состояние материи, которое когда-то считалось невозможным

На макроуровне это помогает питать теории о том, почему магнитные поля Нептуна и Урана такие странные. Традиционные модели объясняют их наклонные магнитные поля, предполагая, что горячие суперионные льды проводят тепло и электричество одинаково во всех направлениях.

Но с этой новой квазиодномерной суперионной фазой это предположение ставится под сомнение и может лучше соответствовать экспериментальным данным, которые мы получаем от самих планет.

Очевидно, что базовый углеродно-водородный материал представляет собой сильное упрощение сложной химической и тепловой динамики, происходящей в ядрах этих планет. миры.

Но тот факт, что у нас даже есть возможность смоделировать и понять, как некоторые из этих материалов могут работать в реальном мире, показывает, что планетарная наука может рассказать нам гораздо больше о том, как работает Вселенная.

Эта статья была первоначально опубликована в журнале Universe Today. Прочтите оригинал статьи.