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 datasimuleringar 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" under deras
väte- och heliumatmosfäriska höljen ovanför deras steniga kärnor. Dessa
lager tros bestå av vatten (H2O), metan (CH4) och ammoniak (NH4) och 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 kol-vätebindningar (CH) under tryck från nästan 5 miljoner till nästan 30 miljoner gånger atmosfärstrycket (500 till 3 000 gigapascal) och vid temperaturer från 3700 Celsius till 5700 Celsius.
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 ett mellan fasta ämnen och vätskor en typ av atomer som förblir ordnade i ett kristallint ramverk och en typ som blir blir
rörligt.
"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 planeters inre. Ett sådant beteende kan påverka inre
energiomfördelning, elektrisk ledningsförmåga och möjligen tolkningen av
magnetfältsgenerering hos isjättar.
Fyndet 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 materians kombinerade beteende under jätteplanetsförhållanden är långt ifrån helt
förstått," beskriver Liu.
Utöver
planeters inre kan förmågan att identifiera starkt riktade framväxande
fenomen i kondenserad materia få konsekvenser för nuvarande materialvetenskap och teknik.
Deras forskningsarbete är publicerat i Nature Communications och visar hur de förutspår att ett kvasi-endimensionellt superjoniskt tillstånd av kol-vätebindning existerar under de extrema tryck och temperaturer som finns djupt inne i Neptunus och Uranus.