? ?在這幅藝術(shù)渲染圖中，從左到右，大功率激光束聚焦在一個(gè)鉆石表面，產(chǎn)生一系列穿透水樣本的沖擊波，同時(shí)壓縮和加熱最初的液體樣本，迫使其凍結(jié)成超離子導(dǎo)體冰。
從南極洲的海洋到冰箱深處，地球上大部分的冰都是相對(duì)溫和的東西。然而，在整個(gè)太陽(yáng)系內(nèi)外，極端的溫度和壓力可以將冰擠壓成越來(lái)越奇怪的種類(lèi)。
最近，研究人員拍攝了可能是冰的最新種類(lèi)的x射線(xiàn)圖像：一種被稱(chēng)為超離子導(dǎo)體冰的超導(dǎo)材料。正如研究小組近日在《自然》雜志上報(bào)告的那樣，這種冰存在于100-400萬(wàn)個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、太陽(yáng)表面溫度一半的條件下。
“是的，我們談?wù)摰氖潜?，”研究?fù)責(zé)人、加州勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家Marius Millot說(shuō)。“不過(guò)，樣本存在于幾千度的高溫下?！?/p>
雖然上述條件在地球上通常無(wú)法實(shí)，但天王星和海王星的深處應(yīng)該存在，這可能有助于解釋這些遙遠(yuǎn)行星的工作原理，比如其不尋常的磁場(chǎng)的起源。
超越馮內(nèi)古特
科學(xué)家們已經(jīng)知道17種結(jié)晶冰（庫(kù)爾特·馮內(nèi)古特的粉絲們可能會(huì)松一口氣，因?yàn)榕c虛構(gòu)的相似物相比，“冰九”無(wú)毒無(wú)害）。30多年前，物理學(xué)家預(yù)測(cè)，巨大的壓力可將水?dāng)D壓成超離子導(dǎo)體形態(tài)。
超離子導(dǎo)體材料一部分是固體，一部分是液體，在微觀(guān)層面上由晶格組成，其中滲透著可攜帶電荷的自由漂浮的原子核。在水中，氧原子會(huì)壓縮成凝固的晶體，而氫的質(zhì)子則會(huì)像液體一樣四處流動(dòng)。（最近，另一組研究鉀的科學(xué)家證實(shí)了一種固態(tài)和液態(tài)同時(shí)存在的物質(zhì)。）
“這是一種相當(dāng)奇特的物質(zhì)，”利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室的研究合作者Federica Coppari說(shuō)。
在這張x射線(xiàn)衍射實(shí)驗(yàn)的時(shí)間集成照片中，巨大的激光束聚焦在水樣本上，水樣本放置于用來(lái)記錄衍射圖案的診斷工具的前板上。額外的激光束從鐵箔上產(chǎn)生x射線(xiàn)閃光，使研究人員能夠拍攝被壓縮和加熱的水層的快照。
去年，Millot、Coppari和同事發(fā)現(xiàn)了超離子導(dǎo)體冰存在的第一個(gè)證據(jù)，他們利用鉆石砧和激光誘導(dǎo)的沖擊波壓縮液態(tài)水，將液態(tài)水變成了固態(tài)冰，并持續(xù)了幾十億分之一秒。研究小組的測(cè)量結(jié)果表明，水冰的導(dǎo)電性在短時(shí)間內(nèi)比以前增強(qiáng)了數(shù)百倍，這強(qiáng)烈暗示著水冰已經(jīng)變成了超離子導(dǎo)體。
在最新的測(cè)試中，研究人員使用了六個(gè)巨大的激光束來(lái)產(chǎn)生一系列的沖擊波，在數(shù)百萬(wàn)倍于地球表面的壓力和1650℃-2760℃的溫度下，將一層薄薄的液態(tài)水壓縮成凝固的冰。精確計(jì)時(shí)的x射線(xiàn)閃光探測(cè)到了這種結(jié)構(gòu)，新物質(zhì)又一次只持續(xù)了幾十億分之一秒，表明氧原子確實(shí)呈現(xiàn)出了晶體的形態(tài)。
研究者看到氧氣被緊緊地塞入面心立方體：每個(gè)角落都有一個(gè)原子，每一邊中間位置都有一個(gè)原子。Coppari稱(chēng)，這是科學(xué)家首次觀(guān)察到水冰具有這樣的結(jié)構(gòu)。研究小組建議將這個(gè)新結(jié)構(gòu)命名為“冰十八”。
盡管該團(tuán)隊(duì)的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)條件上有一些相同之處，但仍有必要進(jìn)行更深入的研究，以明確證明這種冰是超離子導(dǎo)體，普林斯頓大學(xué)的物理學(xué)家Roberto Car說(shuō)，他沒(méi)有參與新研究。盡管如此，他仍認(rèn)為這項(xiàng)研究是水的多樣性的一個(gè)重要例證。
“物質(zhì)能夠排列成如此多的形態(tài)，這一事實(shí)確實(shí)很令人吃驚，”他說(shuō)。
磁場(chǎng)謎團(tuán)
研究小組的結(jié)果已經(jīng)為天王星和海王星的模型提供了信息。這些巨大的行星通常被稱(chēng)為冰巨星，其構(gòu)成大約65%是水，再加上一些氨和甲烷，這些物質(zhì)形成的地層很像地球的巖石金屬表面、地幔和地核。
新實(shí)驗(yàn)表明，天王星和海王星應(yīng)該有一個(gè)超離子導(dǎo)體冰層，其作用就像人類(lèi)地球的地幔一樣，主要由仍在極長(zhǎng)的地質(zhì)時(shí)間尺度上變化的固體巖石構(gòu)成。這可能有助于解釋為什么天王星和海王星擁有不尋常的磁場(chǎng)。
地球、木星和土星的磁場(chǎng)都被認(rèn)為是由其核心附近的導(dǎo)電液體流動(dòng)產(chǎn)生。這些行星的磁場(chǎng)與其軸相當(dāng)緊密地排列在一起，就好像它們來(lái)自穿過(guò)行星中心的條形磁鐵。
相比之下，海王星的磁場(chǎng)似乎來(lái)自一個(gè)內(nèi)部的條形磁鐵，該磁鐵已經(jīng)向轉(zhuǎn)向一側(cè)，而其兩端則源于赤道的中間位置。天王星則更古怪，就像一塊翻轉(zhuǎn)的條形磁鐵，也就是說(shuō)其南磁極源于這顆行星的北半球?？茖W(xué)家猜測(cè)這兩顆冰巨星的磁場(chǎng)都不穩(wěn)定。
Millot認(rèn)為，在天王星和海王星的超離子導(dǎo)體冰層的頂部邊緣可能存在一個(gè)液體層，而且這個(gè)液體層中的水也極其容易導(dǎo)電。這些行星的磁場(chǎng)可能起源于這里，比其他星球的磁場(chǎng)離星球表面更近，這可能有助于解釋其不穩(wěn)定的特性。由于天文學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了許多與海王星和天王星大小相當(dāng)?shù)南低庑行?，新發(fā)現(xiàn)可能適用于宇宙中深處的天體。
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