«Апостериори»: Физики предсказали существование нового состояния вещества внутри ледяных гигантов

Новости науки и технологий

Поддержите «Эхо», если вы не в России

Оно сочетает свойства твёрдого тела и жидкости – но делает это необычным, «направленным» образом.

Речь идёт о соединении углерода и водорода, которое при экстремальных давлениях и температурах может переходить в так называемое квази-одномерное суперионное состояние. В обычных условиях углерод и водород образуют множество хорошо знакомых молекул – например, метан. Однако при давлениях в тысячи миллиардов атмосфер такие соединения ведут себя совершенно иначе. Они могут распадаться и образовывать новые, экзотические структуры.

В исследовании, опубликованном в журнале Nature Communications, учёные с помощью квантово-механического моделирования показали, что при давлениях порядка терапаскалей соединение CH образует необычную кристаллическую структуру. В ней атомы углерода формируют жёсткий каркас, а атомы водорода выстраиваются в спиральные цепочки – своего рода винтовые каналы внутри этой структуры. При низких температурах система ведёт себя как обычный кристалл: атомы лишь колеблются около положений равновесия. Но при нагреве начинается переход в суперионное состояние.

Суперионные материалы – это особый класс веществ, в которых одна часть атомов остаётся на месте, а другая начинает свободно перемещаться, как в жидкости. Это приводит к высокой ионной проводимости. Однако в данном случае возникает промежуточное состояние, которое не совсем укладывается в эту картину. Атомы углерода по-прежнему остаются практически неподвижными. А атомы водорода начинают двигаться – но не во всех направлениях сразу. Они могут свободно перемещаться вдоль оси спирали, словно по узкому каналу. Но в поперечном направлении их движение ограничено: вместо свободной диффузии они лишь вращаются вокруг оси. Именно поэтому это состояние называют квази-одномерным суперионным. Это не просто движение в одном направлении, а сочетание двух разных типов движения: свободного – вдоль оси, и ограниченного – в плоскости.

При дальнейшем повышении температуры ограничения исчезают, и водород начинает двигаться во всех направлениях. Система переходит в обычное трёхмерное суперионное состояние, а затем – в жидкость. Но именно промежуточная фаза представляет наибольший интерес. Дело в том, что такая направленная подвижность атомов приводит к сильной анизотропии свойств вещества. Проще говоря, его поведение зависит от направления. Например, электрическая и тепловая проводимость вдоль оси спирали оказывается значительно выше, чем в поперечном направлении. Это означает, что энергия и заряд в таком веществе могут переноситься преимущественно в одном направлении.

По словам авторов работы, это даёт новый микроскопический механизм направленного переноса в условиях экстремальных давлений и температур. Подобные условия, как предполагается, существуют в недрах ледяных гигантов – таких как Уран и Нептун, а также в более массивных экзопланетах.

Хотя в реальных планетах вещество гораздо сложнее и содержит не только углерод и водород, такие модели помогают понять базовые механизмы, которые могут влиять на их внутреннюю динамику – например, на генерацию магнитных полей.

Авторы подчёркивают, что речь идёт о теоретическом предсказании. Экспериментально проверить такие состояния пока крайне сложно из-за недостижимых в лаборатории давлений.

Тем не менее, работа показывает, что между привычными фазами вещества могут существовать более сложные промежуточные состояния.