近日，南京大学物理学院孙建教授、王慧田教授、邢定钰院士，以色列开放大学Allona Vazan博士，剑桥大学Chris J. Pickard教授等人，预言氧化镁水合物的超离子相可能是天王星与海王星内部的重要组成部分，并为天王星与海王星的磁场起源与低亮度之谜提供了新的解释。其中新发现的富含水分的MgO4H6化合物可能是地球形成早期的储水介质之一。
研究水与岩石矿物在高压下的混合与反应具有重要意义，因为太阳系内外的诸多行星内部都富含水与岩石。天王星和海王星因为距离太阳很远，温度较低，而其内部又有大量含水物质，因此被称为冰巨星。目前，关于冰巨星还存在许多未解之谜，例如其多极磁场的起源、天王星的低亮度等。行星内部物质的结构、物态和性质是解决这些谜题的关键信息。
南京大学物理学院孙建教授课题组近年来在行星内部物质及其新奇物态方面有一系列重要进展，如预言了巨行星积冰层内可能出现的氦-水、氦-氨、氦-甲烷化合物及其超离子态、塑晶态[Nature Physics 15, 1065 (2019)；Phys. Rev. X 10, 021007 (2020)；Natl. Sci. Rev. 7, 1540 (2020)]，能在海王星核心压强范围内稳定存在的二氧化硅混合配位高压相[Phys. Rev. Lett. 126, 035701 (2021)]，以及冰巨星内部的超离子态硅-氧-氢化合物[Phys. Rev. Lett. 128, 035702 (2022)]等。近日，他们在这系列工作的基础上又有了新的进展。
图1：氧化镁水合物的动力学行为。
他们用自主开发的基于机器学习和图论辅助的晶体结构搜索方法（MAGUS），结合第一性原理计算，对高压下的镁-氧-氢三元化合物的晶体结构，以及它们在高温高压下的物态进行了系统研究，预测了三种在高压下稳定的镁-氧-氢三元化合物，其组分为Mg2O3H2 (>400 GPa),MgO3H4 (>600 GPa)和MgO4H6 (270-600 GPa)。随后，他们使用第一性原理分子动力学和机器学习分子动力学详细研究了这些化合物在高温高压下的动力学行为，并构建了温度压强相图。模拟结果表明，随着温度升高，三种化合物均有从固态到超离子态再到液态的相变。在镁-氧-氢体系中，超离子态表现为镁-氧框架保持固体行为，而氢则可以像液体一样自由扩散（图1）。将镁-氧-氢三元化合物相图与目前的行星模型对比，发现氧化镁-水化合物的超离子态区间涵盖了天王星和海王星内部的温度压强范围（图2），说明它们很可能在行星内部大量存在。
图2：理论预言的氧化镁水合物的温度压强相图
传统的冰巨星模型中，行星内部被划分成三个区域：气态外层、冰层与岩石内核。这篇文章中预言的氧化镁水合物，可以在岩石内核与冰层之间存在，意味着岩石内核与冰层之间不一定存在明确的边界，而是存在一个过渡区域（图3）。在这个区域中，水的比例随深度下降，而岩石的比例则随深度上升。这种成分梯度的存在会抑制行星内部的热对流，导致行星内部的热量难以传导到表面，因此这可能是天王星低亮度的原因之一。本文还利用孙建教授课题组参与开发的显卡加速的机器学习分子动力学方法（GPUMD）计算了氧化镁水合物的电导与热导性质，发现Mg2O3H2的电导较低，而MgO3H4和MgO4H6在超离子态下的电导较高，与超离子态水的电导接近，因此有可能通过“发电机效应”影响行星磁场。这三种化合物高温下的热导则与MgO接近。
图3：理论预言的天王星海王星内部结构。
相关研究成果以“Magnesium Oxide-Water Compounds at Megabar Pressure and Implications on Planetary Interiors”为题，于近日发表在《Nature Communications》上，[Nat. Commun. 14, 1165 (2023)]。南京大学物理学院孙建教授课题组博士生潘书宁与黄天衡为该论文的共同第一作者，孙建教授为通讯作者，南京大学物理学院邢定钰院士和王慧田教授提供了重要指导，合作者还包括以色列开放大学天文研究中心Allona Vazan博士，剑桥大学卡文迪许实验室Chris J. Pickard教授等人，以及孙建教授课题组的学生梁智新、刘聪、王俊杰。该项研究得到了南京微结构科学与技术协同创新中心、固体微结构物理国家重点实验室的支持，得到了国家自然科学基金委杰出青年基金、中央高校基本业务费、南京大学卓越研究计划等经费的资助。相关计算工作主要在南京微结构协同创新中心高性能计算中心和南京大学高性能计算中心的超级计算机上进行。
文章链接：
S. Pan, T. Huang, A. Vazan, et al. Magnesium oxide-water compounds at megabar pressure and implications on planetary interiors. Nat. Commun. 14, 1165 (2023).
https://doi.org/10.1038/s41467-023-36802-8
MAGUS是一款由南京大学孙建教授课题组自主开发的机器学习与图论辅助的晶体结构搜索软件，用Python和C++编写。支持三维，二维晶体，分子晶体，表面重构，团簇，受限空间等体系的定组分和变组分搜索；支持VASP，CASTEP，ORCA，MTP，NEP，DeepMD，gulp，lammps，XTB，ASE等接口，便于扩展。MAGUS已被用于研究多个体系，设计的新材料被实验合成，发表了多篇高水平学术论文（Nat. Phys./NC/PRL/PRX/NSR/Sci. Bull.等）。MAGUS对非盈利性质的学术研究免费开放，感兴趣的同行可通过以下链接注册下载：
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