Pierfranco Demontis sa 1988, "Is blir en snabbjonledare vid högt tryck och höga temperaturer, " men hans förutsägelse var bara hypotetisk tills nyligen. Efter 30 års studier, superionisk vattenis verifierades experimentellt 2018. Superionicitet kan så småningom förklara det starka magnetfältet i gigantiska planetariska interiörer.

Hur är det med jorden, vars interiörer också är under extrema tryck- och temperaturförhållanden? Även om tre fjärdedelar av jordens yta är täckt av vatten, fristående vatten eller is finns sällan i jordens inre. Den vanligaste vattenenheten är hydroxyl, som förknippas med värdmineraler för att göra dem till vattenhaltiga mineraler. Här, en forskargrupp som leds av Dr. Qingyang Hu, Dr. Duckyoung Kim, och Dr Jin Liu från Center for High Pressure Science and Technology Advanced Research upptäckte att ett sådant vattenhaltigt mineral också går in i en exotisk superionisk fas, liknar vattenis på jätteplaneter. Resultaten publiceras i Naturgeovetenskap .

"I superioniskt vatten, väte frigörs från syre och blir vätskeliknande, och rör sig fritt inom det fasta syregittret. Liknande, vi studerade ett vattenhaltigt mineral järnoxid-hydroxid (FeOOH), och väteatomerna rör sig fritt i det fasta syregitteret i FeO ₂ , sade Dr. He, som utförde beräkningssimuleringen.

"Det utvecklades till den superjoniska fasen över cirka 1700°C och 800, 000 gånger normalt atmosfärstryck. Sådana tryck- och temperaturförhållanden säkerställer att en stor del av jordens nedre mantel kan vara värd för det överjoniska vattenhaltiga mineralet. Dessa djupa områden kan ha floder av protoner, som flödar genom de fasta ämnena." tillade Dr. Kim.

Guidade av sina teoretiska förutsägelser, teamet försökte sedan verifiera denna förutsagda superioniska fas i het FeOOH genom att utföra experiment med hög temperatur och högt tryck med hjälp av en laseruppvärmningsteknik i en diamantstädcell.

"Det är tekniskt utmanande att känna igen H -atomernas rörelse experimentellt; men utvecklingen av O-H-bindning är känslig för Raman-spektroskopi, " sa Dr Hu, en av huvudförfattarna. "Så, vi spårade utvecklingen av O-H-bindningen och fångade detta exotiska tillstånd i dess vanliga form."

De fann att O-H-bindningen mjuknar plötsligt över 73, 000 gånger normalt atmosfärstryck, tillsammans med ~ 55% försvagning av OH Ramans toppintensitet. Dessa resultat indikerar att vissa H ⁺ kan delokaliseras från syre och bli rörlig, Således, försvagning av OH-bindningen, överensstämmer med simuleringar. "Mjukningen och försvagningen av O-H-bindningen vid högtrycks- och rumstemperaturförhållanden kan endast betraktas som en föregångare till det överjoniska tillståndet eftersom hög temperatur krävs för att öka rörligheten utanför enhetscellen, " förklarade Dr Hou.

I superioniska material, det kommer att bli en uppenbar konduktivitetsförändring, vilket är ett starkt bevis på superionisering. Teamet mätte provets elektriska konduktivitetsutveckling vid höga temperaturer och tryckförhållanden. De observerade en abrupt ökning av elektrisk ledningsförmåga runt 1500-1700°C och 121, 000 gånger normalt atmosfärstryck, vilket indikerar att det diffusiva vätet hade täckt hela det fasta provet och således, gick in i ett superioniskt tillstånd.

"FeO av pyrittyp ₂ H _x är bara det första exemplet på superioniska faser i den djupa nedre manteln, " anmärkte Dr Liu, medförfattare till verket. "Det är mycket troligt att väte i de nyligen upptäckta täta vätebärande oxiderna som är stabila under den djupa nedre mantelns höga P-T-förhållanden, såsom täta vattenhaltiga faser, kan också uppvisa överlägset beteende."