天王星和海王星深处发明奇怪新物态

该研究由卡内基科学研究所的刘聪（Cong Liu）和罗纳德·科恩（Ronald Cohen）主导，相干成果已揭橥在《天然·通信》（Nature Communications）期刊上。 他们经由过程高机能计算，从量子力学第一性道理出发，对简单的碳氢化合物（化学式为 CH，即碳氢化物）在极端高压高温前提下的行动进行了体系模仿。

天王星和海王星被归类为“冰巨星”，现有不雅测和模型显示，这两颗行星的内部构造大年夜致可分为三层：最外层为氢氦大年夜气，中心夹着由“热冰”构成的厚层，最内层则是岩石和金属构成的致密核心。 科学界广泛认为，这些“热冰”重要由水（H₂O）、甲烷（CH₄）和氨（NH₄）构成；但在极端压力和温度下，这些物质会表示出与常温常压完全不合的构造和性质。

刘聪和科恩的模仿覆盖了约 500 至 3000 吉帕（相当于地球大年夜气压的 500 万至 3000 万倍）的压力范围，以及约 4000 至 6000 开（约 6740 至 10340 摄氏度）的温度区间，这一前提与冰巨行星深处情况相当。 成果显示，在如许的行星内部前提下，碳氢化物可以形成一种具有六方晶格构造的化合物：碳构成外侧螺旋链条，氢则在内侧形成螺旋链，并沿这些螺旋路径进行定向迁徙。

在这一构造中，材料出现出所谓“准一维超离子态”（quasi-one-dimensional superionic state）。 超离子物质是一类介于固体和液体之间的特别状况：晶格中一部分原子保持固态有序排布，另一部分原子则可以像液体一样在晶格中自由移动。 研究显示，在这种新相中，碳骨架保持有序的六方晶体构造，而氢原子则重要沿着预先定义好的螺旋通道进行偏向性活动，而非在三维空间中各向同性扩散。

科恩指出，这一新预言的碳—氢相之所以“非分特别惹人注目”，就在于其原子活动并非完全三维，而是强烈偏向某些特定的螺旋路径，这种高度偏向性的迁徙特点在行星物质中十分罕有。 这种“准一维”超离子行动意味着，在这类物质内部，热量和电荷的传输方法可能与传统熟悉中各向同性的高温流体截然不合。

对行星科学而言，这一发明具有多重潜在影响。起首，氢在晶格中的定向迁徙，将直接影响深部物质的热导率和电导率，从而改变行星内部能量若何由深层向外层传递。 其次，这种异常的导电性质可能与冰巨行星特别的磁场形态存在接洽关系，有助于解释天王星和海王星磁场构造相对地球和蔼态巨行星（如木星、土星）加倍扭曲、偏爱的不雅测特点。

近年来，人类已确认的系外行星数量跨越 6000 颗，且仍在赓续增长，这推动了天文学、行星科学和地球科学范畴更慎密的交叉合作。 经由过程不雅测、实验与理论模仿的结合，研究人员试图描述行星内部的物质状况和物理过程，包含磁场的产活力制以及深部层状构造的演变。 对太阳系内行星和卫星深处“看不见”的区域进行建模，不仅有助于懂得这些天体本身的行动，也有望为地外宜居性等问题供给线索。

刘聪指出，碳和氢是行星物质中最常见的两种元素之一，但在类巨行星前提下，这一简单位素组合的行动远未获得充分熟悉。 本次工作注解，即使是最根本的化学体系，在极端高压高温之下也可以演变出复杂而出人意表的晶体和动力学构造，拓展了科研人员对高压物质世界的熟悉界线。

除了行星物理意义之外，这种具有强烈偏向性传输特点的材料，也可能在更广泛的材料科学与工程范畴找到应用前景。 例如，在须要高度各向异性导电或导热机能的场景中，这类超离子材料有望成为新型功能材料的理论底本，为将来的能源与电子器件设计供给新的思路。