В нашей Солнечной системе может скрываться неизвестное состояние материи

Фото из открытых источников

Несмотря на внешние признаки, внутреннее устройство ледяных гигантов, таких как Уран и Нептун, крайне хаотично. Давление, в миллионы раз превышающее давление на уровне моря, в сочетании с температурой в тысячи градусов приводит к образованию довольно необычных материалов.

В новой статье исследователей из Института Карнеги, опубликованной в журнале Nature Communications, описывается совершенно новое состояние материи, которое может существовать в этих экстремальных условиях — «квазиодномерная суперионная» фаза.

Учёные давно знают, что эти ледяные планеты состоят не из обычного «льда» в том виде, в каком мы его себе представляем на Земле. Вместо этого они представляют собой горячую, плотную смесь воды, аммиака и метана.

Однако воссоздать в лаборатории условия, при которых образуется эта суспензия, практически невозможно. Для этого потребовалось бы терапаскальное давление при достаточно высоких температурах, чтобы расплавить большинство контейнеров.

Как правило, для решения этой проблемы исследователи прибегают к моделированию – в частности, к моделированию, известному как «синтетический Уран», которое имитирует среду седьмой планеты от Солнца, включая давление и температуру.

Из предыдущих химических исследований мы уже знали, что обычные молекулы, такие как метан, не сохраняются в своих традиционных формах. Он распадается при давлении около 95 гигапаскалей, образуя богатые водородом материалы наряду с аллотропами углерода, такими как алмаз.

Но даже у этого метода моделирования есть свои недостатки, и он перестаёт работать при ещё более высоком давлении.

Для решения этой проблемы в статье используется подход, основанный на фундаментальных принципах, позволяющий квантовой механике системы моделировать всю окружающую среду — по крайней мере, в той мере, в какой квантовая механика позволяет себя моделировать.

Согласно этому методу моделирования, при давлениях выше 1100 ГПа углерод и водород образуют стабильное соединение, но с весьма необычной структурой.

При таком давлении атомы углерода образуют жесткую, твердую решетку, имеющую форму хиральной спирали – по сути, микроскопической, извилистой спиральной лестницы.

Но самое интересное происходит при нагревании. Обычно при нагревании эта кристаллическая структура превращается в жидкость, позволяя атомам свободно перемещаться.

Однако в некоторых других материалах, например, в воде, повышение температуры приводит к тому, что одна группа атомов (в случае воды — кислород) остается в кристаллическом твердом состоянии, в то время как другая (водород) начинает свободно перемещаться. Это состояние известно как «суперионное» состояние.

В диапазоне температур от 1000 до 3000 Кельвинов новое соединение CH переходит в суперионное состояние, но с одной особенностью. Вместо кислорода, образующего кристаллическую структуру, как в воде, эта кристаллическая решетка формируется из атомов углерода.

Атомы водорода, будучи ограниченными углеродной решеткой, демонстрируют суперионную диффузию вдоль спиральной «лестницы» (ось z) в сочетании с вращательным движением в поперечной (xy) плоскости.

Атомы водорода могут легко перемещаться вверх или вниз по лестнице, но в других направлениях они, по всей видимости, скорее будут вращаться, чем двигаться.

Это однонаправленное движение с двумерным вращением позволило исследователям классифицировать его как гибридный тип «диффузионной размерности» — первое в мире квазиодномерное суперионное состояние.

Всё это хорошо в теории, но что это значит на практике? Наиболее заметное последствие заключается в том, что свойства материала становятся анизотропными – то есть они изменяются в зависимости от направления измерения.

Например, материал, по-видимому, очень хорошо проводит тепло и электричество по оси «лестницы», но не так хорошо по двум другим осям. Кроме того, несмотря на наличие движущихся атомов водорода (которые имеют положительный заряд), электрическая проводимость, похоже, по-прежнему определяется движением электронов.

На макроуровне это помогает обосновать теории о том, почему магнитные поля Нептуна и Урана такие необычные. Традиционные модели объясняют их наклонные магнитные поля, предполагая, что горячие суперионные льды проводят тепло и электричество одинаково во всех направлениях.

Однако с появлением этой новой квазиодномерной суперионной фазы данное предположение ставится под сомнение и может лучше соответствовать экспериментальным данным, полученным от самих планет.

Очевидно, что базовый углеродно-водородный материал представляет собой огромное упрощение сложной химической и тепловой динамики, происходящей в ядрах этих миров.

Но сам факт того, что у нас есть возможность смоделировать и понять, как некоторые из этих материалов могут работать в реальном мире, показывает, что планетология еще может многому нас научить о том, как устроена Вселенная.