冰在压力下是双面的

作者：希瑟·M·希尔

编译：纯珍

图片来源：Jan Bambach /Wikimedia Commons/ CC BY-SA 3.0

在与海王星内部一致的温度和压力下，水分子分解成可移动的氢离子和具有两种稳定结构之一的氧晶体。

如果施加足够的压力，水冰将由氢和氧离子的晶格组成，而不是可识别的H 2 O 分子。在 300 K下，冰 X至少在170 GPa下保持稳定。预计进一步加热会削弱氢键，并使 H+离子自由穿过氧晶格——一种称为超离子的冰。

超离子冰应该存在于天王星、海王星和其他冰巨星的行星内部，它的存在可能会影响其中一些行星的磁场。但对于氧晶格是体心立方（bcc）还是面心立方（fcc），何时发生向超离子相的转变，以及该相的稳定性如何，这些理论研究存在分歧。最近的实验工作显示了超离子相的迹象，但未能解决这些基本问题。

现在，法国巴黎-萨克莱大学的 Gunnar Weck 和他的同事们已经获得了在大范围温度和压力下超离子冰的清晰结构特征。他们绘制了稳定 fcc 和 bcc 相的完整相图。

研究人员将水压缩到砖石砧槽中，然后用二氧化碳或镱激光对其进行加热。在 CO 2激光器的条件下，少量的水直接吸收光并加热。该技术最高适用于62 GPa 的施加压力，但超过该压力后，水在激光波长处的吸收率下降。更高的压力需要间接加热。Weck 和他的团队在砧座中添加了一个掺硼砖石杯，它吸收了 Yb 激光的光，并加热里面的水。

研究人员在恒定的压力下收集了 X 射线衍射图案，同时将温度从大约 500 K 增加到 2500 K。他们在从 27 GPa 到 170 GPa 的压力下重复了这个过程。两种激光加热策略都产生了水温梯度，因此衍射图案在一系列温度和相位中显示出峰值。但结果仍然明显的显示出向 bcc 超离子冰和从 bcc 到 fcc 结构的转变。

图片来源：G. Weck 等人，Phys. Rev. Lett。 128 , 165701 (2022)

Weck 和他的同事绘制了一个完整的相图，如上所示。他们和之前工作中的蓝色阴影和蓝色数据点表示 bcc 阶段，黄色区域和红色数据点表示 fcc 阶段。密度泛函理论的预测因预期的过渡（各种颜色的虚线）而不同。新的实验结果有助于缩小可行预测的范围。

文章来源：https://physicstoday.scitation.org/do/10.1063/PT.6.1.20220425a/full/