近日，南京大学物理学院孙建教授、王慧田教授、邢定钰院士和南京大学地球科学与工程学院陆现彩教授等人，预言硅-氧-氢化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，并为行星磁场来源提供了新的解释，同时可能影响行星的结构和演化。
长期以来，由于观测数据有限，人们对天王星和海王星等巨行星内部物质存在很多争议。目前存在冰巨星和岩石巨星两类行星模型。冰巨星模型可以解释天王星和海王星的磁场，但是不能解释所有观测数据，如行星大气中的氕-氘比例。岩石巨星模型则可以解释氕-氘比例，并且冰-岩比例与柯伊伯带天体相近，容易解释行星的起源，但是缺少导电物质来解释磁场。此外，天王星与海王星核幔边界的结构也是一个长期存在的问题。一般认为，天王星与海王星的地幔主要由水、氨和甲烷组成，核心为石质，主要成分为二氧化硅。目前尚不清楚，在核幔交界处存在清晰的边界还是渐变的过渡区。
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)】，以及可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)】。近日，他们在这系列工作的基础上又有了新的进展。
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，结合第一性原理计算，对高压下的硅-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硅-氧-氢三元化合物，其组分为Si2O5H2, SiO2H2和SiOH2。它们的稳定压强分别约为450，650和500 GPa以上，前两种化合物可以视为二氧化硅的水化物和氢化物。随后，他们使用第一性原理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。在硅-氧-氢体系中，超离子态表现为硅-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）。将硅-氧-氢三元化合物相图与目前的行星模型对比，发现二氧化硅-水化合物与二氧化硅-氢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1：二氧化硅-水化合物和二氧化碳-氢化合物的动力学行为。
传统观点认为，天王星和海王星上的磁场来源于冰的超离子态，而本项研究认为硅-氧-氢化合物的超离子态具有导电性，也可以产生磁场，这为解释行星磁场提供了新的思路。此外，由于存在二氧化硅与水（氢）在高压下的反应，可以推测天王星与海王星的核幔边界很可能是渐变的。这些发现有助于澄清行星科学中的重要问题和构建更准确的行星模型。正如法国行星科学家Tristan Guillot教授在Physics焦点评论中指出"这些新颖结果具有很重要的启示，有助于澄清关于元素在行星内部如何混合的长期争议。特别是二氧化硅和水的反应，将对行星内部的热传导等性质有重要影响，进而影响其结构、演化和磁场。"
图2：理论预言的硅-氧-氢化合物的温度压强相图与天王星海王星内部结构。
相关研究成果以"Superionic Silica-Water and Silica-Hydrogen Compounds in theDeep Interiors of Uranus and Neptune"为题，于近日发表在国际物理学顶级学术期刊《Physical Review Letter》上。【Phys. Rev. Lett.128, 035702 (2022)】，并被选为编辑推荐文章（Editors’ Suggestion），同时，美国物理学会Physics杂志还就该工作发表了题为"Mineral Candidates for Planet Interiors"的焦点评论（Focus）。孙建教授课题组高豪博士（目前在德国马普所做博士后）与刘聪博士（目前在西班牙加泰罗尼亚理工做博士后）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，地球科学与工程学院陆现彩教授提供了深入指导，合作者还包括孙建教授课题组的学生施九洋、潘书宁和黄天衡。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、南京大学高性能计算中心的超级计算机上进行。（高豪）
文章链接：
Hao Gao, Cong Liu, Jiuyang Shi, Shuning Pan, Tianheng Huang, Xiancai Lu, Hui-Tian Wang, Dingyu Xing, and Jian Sun, Superionic Silica-Water and Silica-Hydrogen Compounds in the Deep Interiors of Uranus and Neptune, Phys. Rev. Lett. 128, 035702 (2022).
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.035702
Physics评论文章链接：
Michael Schirber,Mineral Candidates for Planet Interiors, Physics 15, 9 (2022).