I djupet av Neptunus och Uranus kan nya tillstånd av materia existera

 

Bild https://carnegiescience.edu  illustration av den förutsagda hexagonala (en polygon med sex sidor vars sidor kan ha olika längder) kolhydridföreningen under Neptunus-liknande inre förhållanden. I denna struktur bildar kol de yttre spiralkedjorna (gula) och väte de inre spiralkedjorna (blå) vilket är förenligt med det kvasi-endimensionella superjonbeteendet som identifierats i datsimuleringar med första principer. Med tillstånd: Cong Liu.

Mätningar av Uranus och Neptunus täthet visar att insidan av dessa jätteplaneter innehåller mellanlager av okonventionella "heta isar", som finns under deras väte- och heliumatmosfäriska höljen och ovanför deras steniga kärnor. Dessa lager tros bestå av vatten (H2O), metan (CH4) och ammoniak (NH4), men på grund av de extrema förhållandena tros exotiska faser uppstå här.

Fysiken i dessa högtrycks- och högtemperaturområden kan ge upphov till okonventionella materiatillstånd vilket är anledningen till att teoretiker och experimentella forskare försöker förutsäga och återskapa vad som kan finnas där.

Med hjälp av högpresterande datorer och maskininlärning utförde Liu och Cohen vid Carnegie Science Forskningsinstitut i Washington, USA grundläggande kvantfysiksimuleringar av kolhydrid (CH) under tryck från nästan 5 miljoner till nästan 30 miljoner gånger atmosfärstrycket (500 till 3 000 gigapascal) och vid temperaturer från  3700 Celcius till 5700 celcius.

Deras verktyg förutspådde framväxten av ett ordnat hexagonalt ramverk där väteatomer rör sig längs spiralbanor och skapar ett kvasi-endimensionellt superjontillstånd.

Superjoniska material befinner sig i ett ovanligt tillstånd mellan fasta ämnen och vätskor en typ av atomer som förblir ordnade i ett kristallint ramverk och en typ som blirannan blir rörlig.

"Denna nyligen förutsagda kol–väte-fas är särskilt slående eftersom atomrörelsen inte är helt tredimensionell," förklarar Cohen. "Istället rör sig väte  längs väldefinierade helixbanor inbäddade i en ordnad kolstruktur."

Denna riktning av rörelse har viktiga implikationer för hur värme och elektricitet rör sig genom planetariskt inre. Ett sådant beteende kan påverka inre energiomfördelning, elektrisk ledningsförmåga och möjligen tolkningen av magnetfältsgenerering hos isjättar.

Deras fynd utökar också vår förståelse av beteendet hos enkla föreningar under extrema förhållanden, vilket tyder på att även enkla system kan organisera sig i oväntat komplexa faser.

"Kol och väte är bland de mest förekommande grundämnena av  materia i en planet. Men deras kombinerade beteende under jätteplanetsförhållanden är långt ifrån helt förstått," beskriver Liu.

Utöver planetariska inre kan förmågan att identifiera starkt riktade framväxande fenomen i kondenserad materia få konsekvenser för materialvetenskap och teknik.

Deras forskningsarbete är publicerat i Nature Communications och visar hur de förutspår att ett kvasi-endimensionellt superjoniskt tillstånd av kolhydrid existerar under de extrema tryck och temperaturer som finns djupt inne i Neptunus och Uranus.