Физики впервые создали суперионный лёд

Американский учёный, лауреат Нобелевской премии по физике 1946 года Перси Бриджмен, изучая поведение материй под высоким давлением, обнаружил пять различных кристаллических форм водяного льда. 

Дальнейшие работы в этой области дали ещё более любопытные результаты: в 1988 году физики теоретически предсказали существование суперионной формы воды (superionic water).

В такое состояние она переходит при нагревании до нескольких тысяч градусов и под воздействием высокого давления (подобные условия царят на планетах-гигантах – Нептуне и Уране). Отличительная черта этой экзотической формы – наличие "подобных жидкости" ионов водорода, движущихся внутри "твёрдой" решётки кислорода.

Почти 30 лет суперионная вода существовала лишь в теории – в научных трудах и мечтах исследователей. И вот теперь команда из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса и других американских научных центров доказала на практике, что такая форма воды действительно существует.

Используя метод ударного сжатия, который позволяет создать давление в несколько миллионов атмосфер, специалисты выяснили, что получить интересующее их состояние воды можно при термодинамической температуре около 5000 Кельвинов (чуть меньше, чем на поверхности Солнца) и при давлении в 200 гигапаскалей.

Чтобы исследовать вещество, находящееся при заданных температуре и давлении, учёные использовали ячейки с алмазными наковальнями. Они работали с кубической модификацией льда под названием лёд VII – вода превратилась в такую форму при комнатной температуре и давлении 2,5 гигапаскаля.

Затем настало время ударного сжатия: для этого на лёд VII воздействовали лазерным излучением. Шесть мощных лучей лазера Omega-60 из Лаборатории лазерной энергетики Университета Рочестера обеспечили наносекундный импульс ультрафиолетового излучения. Лазеры ударили не по льду, а по одному из алмазов, между которыми он был зажат. Это привело к образованию мощных ударных волн: давление на образец выросло до нескольких сотен гигапаскалей. При этом лёд продолжали нагревать.

Команда использовала сложные методы измерения (интерферометрическую сверхбыструю велосиметрию и пирометрию), чтобы охарактеризовать оптические свойства суперионной воды и определить её термодинамические свойства в течение короткого эксперимента (у учёных было 10-20 наносекунд).

Ведущий автор исследования физик Мариус Мийо (Marius Millot) отмечает, что ради этих наносекунд его команда потратила два года на проведение измерений и ещё два на разработку методов анализа данных. Впрочем, значимость исследования сложно переоценить.

Во-первых, у учёных теперь есть важные данные о поведении молекул в экстремальных условиях. Как ожидается, в будущем подобные эксперименты позволят изучать специфические свойства материалов и, как следствие, манипулировать ими в интересах человечества.

Во-вторых, эта работа раскрывает новые перспективы перед астрофизиками, ведь, как уже упоминалось, Уран и Нептун, вероятно, имеют огромное количество экзотического водяного льда.

Планетологи убеждены, что эти планеты-гиганты состоят в основном из смеси углерода, водорода, кислорода и азота, а 65% их массы составляет вода, смешанная с аммиаком и метаном. Но, возможно, всё не совсем так и под тонким слоем жидкости находится мантия из суперионного льда. Зная больше о его свойствах и о внутренней структуре планет в принципе, специалисты смогут скорректировать цели для будущих миссий.

Авторы добавляют, что следующим шагом в их работе будет определение структуры кислородной решётки, в которую заключены ионы водорода. Также команда планирует использовать свои новые методы для исследования других форм материй и элементов, например, гелия, которым изобилуют Сатурн и Юпитер.

Больше подробностей об удивительном эксперименте можно узнать из статьи, опубликованной в издании Nature Physics.