揭开超离子冰“冰十八”的奥秘：破译海王星和天王星的磁异常现象
研究人员使用密度泛函理论来研究超离子冰或冰十八的机械性能，冰十八是水的一个结晶相，被认为构成了冰巨星海王星和天王星的很大一部分。在这个阶段，负氧离子形成一个晶格，而正氢离子在其中形成一种液体，类似于金属导体。
图片来自模拟冰十八的结构图局部，氧离子（红色）占据了一个规则的晶格，而质子（白色）像液体一样扩散。资料来源：Maurice de Koning & Filipe Matusalém
超离子冰只在极端的温度和压力下存在，并被认为对海王星和天王星的磁场错位做出了贡献。该团队使用包括神经网络和机器学习在内的计算技术来了解第十八号冰的变形如何影响这些行星上观察到的现象。
这项研究的一个关键方面是部署密度泛函理论（DFT），这是一种源自量子力学的方法，在固态物理学中用来解决复杂的晶体结构。
普通的日常冰，如冰箱产生的冰被科学家称为六方冰（ice Ih），这并不是水的唯一结晶相。有20多种不同的相是可能存在的。其中一个被称为"超离子冰"或"冰十八"，这特别令人感兴趣，因为它被认为构成了海王星和天王星的很大一部分，这些行星经常被称为"冰巨人"。
在超离子结晶阶段，水失去了它的分子特性（H2O）：负氧离子（O2-）结晶成一个广泛的晶格，而质子以正氢离子（H+）的形式形成一种液体，在氧晶格内自由漂移。
位于巴西圣保罗州的坎皮纳斯州立大学格莱布-瓦塔金物理研究所（IFGW-UNICAMP）的教授莫里斯-德-科宁说："这种情况可以与铜等金属导体相比，最大的区别是正离子在金属中形成晶格，而带负电的电子可以在晶格中自由游荡。"
De Koning领导了这项研究，其结果是在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上发表了一篇文章，并在其2022年11月8日的封面上刊登。
他解释说，超离子冰是在5000开尔文（4700℃）范围内的极高温度和大约340千兆帕的压力下形成的，或超过地球标准大气压的330万倍。因此，稳定的超离子冰不可能存在于我们的星球上。
然而，它可以存在于海王星和天王星上。事实上，科学家们确信，大量的冰十八潜伏在它们的地幔深处，这要归功于这些巨行星的巨大引力场所产生的压力，这一点已被地震学读数所证实。
"质子通过氧晶格传导的电与这些行星的磁场轴线为什么不与旋转轴线重合的问题密切相关。事实上，它们明显错位了，"De Koning说。
空间探测器旅行者2号在前往太阳系边缘和其他地方的旅途中飞过这些遥远的行星，其测量结果显示，海王星和天王星的磁场轴与它们各自的旋转轴形成47度和59度的夹角。
在地球上，《自然》杂志2019年报道的一项实验成功地产生了1纳秒（十亿分之一秒）的极少量的冰十八，之后该材料就迅速瓦解了，研究人员当时使用的事激光驱动的冲击波来压缩和加热液态水。
根据《自然》杂志上的论文，六道高功率激光束以时间上定制的顺序被发射，以压缩封装在两个钻石表面之间的薄水层。冲击波在两个坚硬的钻石之间回荡，以实现水层的均匀压缩，从而在极短的时间内形成超离子结晶相。
"在这项最新的研究中，我们没有进行真正的物理实验，而是使用计算机模拟来研究冰十八的机械性能，并找出其变形如何影响在海王星和天王星上看到的现象，"De Koning说。
这项研究的一个关键方面是部署密度泛函理论（DFT），这是一种源自量子力学的方法，在固态物理学中用来解决复杂的晶体结构。"首先，我们研究了一个无缺陷相的机械行为，这在现实世界中并不存在。然后我们加入了缺陷，观察会产生什么样的宏观变形。"
晶体缺陷通常是以离子空位或其他材料的离子侵入晶格为特征的点缺陷。在这种情况下却不是这样。De Koning指的是被称为"位错"的线性缺陷，这是由于相邻层之间的角度差异导致的褶皱，有点像皱巴巴的地毯。
"在晶体物理学中，位错是在1934年提出的，但在1956年首次在实验中观察到。它是一种缺陷，可以解释许多现象。"De Koning说："我们说错位对于冶金学来说就像DNA对于遗传学一样。在超离子冰的情况下，位错的总和产生了剪切力，这是矿物学家、冶金学家和工程师所熟悉的宏观变形。在我们的研究中，除其他事项外，我们计算了需要对晶体施加多大的力才能使其因剪切力而破裂。"
为此，研究人员不得不考虑研究一个有大约8万个分子的相对较大的材料单元。计算需要极其繁重和复杂的计算技术，包括神经网络、机器学习，以及基于DFT的各种构型的组成。这是研究的一个最有趣的方面，整合了冶金学、行星学、量子力学和高性能计算方面的知识。