Bland de många upptäckter om materia under högt tryck som gav honom Nobelpriset 1946, vetenskapsmannen Percy Bridgman upptäckte fem olika kristallina former av vattenis, inledde mer än 100 års forskning om hur is beter sig under extrema förhållanden.

En av de mest spännande egenskaperna hos vatten är att det kan bli superjoniskt när det värms upp till flera tusen grader vid högt tryck, liknande förhållandena inuti jätteplaneter som Uranus och Neptunus. Detta exotiska tillstånd av vatten kännetecknas av vätskeliknande vätejoner som rör sig inom ett fast gitter av syre.

Eftersom detta först förutspåddes 1988, många forskargrupper inom området har bekräftat och förfinat numeriska simuleringar, medan andra använde statisk kompressionsteknik för att utforska fasdiagrammet för vatten vid högt tryck. Medan indirekta signaturer observerades, ingen forskargrupp har kunnat identifiera experimentella bevis för superionisk vattenis – förrän nu.

I en tidning publicerad idag av Naturfysik , ett forskarlag från Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), University of California, Berkeley och University of Rochester ger experimentella bevis för superjonisk ledning i vattenis vid planetariska inre förhållanden, verifiera den 30-åriga förutsägelsen.

Med hjälp av stötkompression, teamet identifierade termodynamiska signaturer som visar att is smälter nära 5000 Kelvin (K) vid 200 gigapascal (GPa—2 miljoner gånger jordens atmosfär)—4000 K högre än smältpunkten vid 0,5 megabar (Mbar) och nästan solens yttemperatur.

"Våra experiment har verifierat de två huvudsakliga förutsägelserna för superjonisk is:mycket hög protonisk/jonisk ledningsförmåga inom fastämnet och hög smältpunkt, sa huvudförfattaren Marius Millot, en fysiker vid LLNL. "Vårt arbete ger experimentella bevis för superionisk is och visar att dessa förutsägelser inte berodde på artefakter i simuleringarna, men faktiskt fångade vattnets extraordinära beteende vid dessa förhållanden. Detta ger en viktig validering av toppmoderna kvantsimuleringar med densitetsfunktionella teoribaserade molekyldynamik (DFT-MD)."

"Drift av ökningen av tillgängliga datorresurser, Jag känner att vi har nått en vändpunkt, " tillade Sebastien Hamel, LLNL fysiker och medförfattare till uppsatsen. "Vi är nu i ett skede där ett tillräckligt stort antal av dessa simuleringar kan köras för att kartlägga stora delar av fasdiagrammet av material under extrema förhållanden tillräckligt detaljerat för att effektivt stödja experimentella ansträngningar."

Använda diamantstädceller (DAC), teamet applicerade 2,5 GPa tryck (25 tusen atmosfärer) för att förkomprimera vatten till den rumstempererade isen VII, en kubisk kristallin form som skiljer sig från sexkantig is i "iskub", förutom att vara 60 procent tätare än vatten vid omgivningstryck och temperatur. De flyttade sedan till University of Rochester's Laboratory for Laser Energetics (LLE) för att utföra laserdriven chockkomprimering av de förkomprimerade cellerna. De fokuserade upp till sex intensiva strålar av LLE:s Omega-60 laser, levererar en 1 nanosekunds puls av UV-ljus till en av diamanterna. Detta utlöste starka chockvågor på flera hundra GPa in i provet, att komprimera och värma vattenisen samtidigt.

"Eftersom vi förkomprimerade vattnet, det är mindre stötuppvärmning än om vi stötkomprimerar omgivande flytande vatten, ger oss tillgång till mycket kallare tillstånd vid högt tryck än i tidigare chockkompressionsstudier, så att vi kunde nå den förutsagda stabilitetsdomänen för superionisk is, sa Millot.

Teamet använde interferometrisk ultrasnabb hastighetsmätning och pyrometri för att karakterisera de optiska egenskaperna hos det chockade komprimerade vattnet och bestämma dess termodynamiska egenskaper under experimentets korta 10-20 nanosekunders varaktighet, innan tryckavlastningsvågor dekomprimerade provet och förångade diamanterna och vattnet.

"Det här är mycket utmanande experiment, så det var verkligen spännande att se att vi kunde lära oss så mycket av data – speciellt eftersom vi ägnade ungefär två år åt att göra mätningarna och två år till på att utveckla metoderna för att analysera data, sa Millot.

Detta arbete har också viktiga konsekvenser för planetvetenskapen eftersom Uranus och Neptunus kan innehålla stora mängder superionisk vattenis. Planetforskare tror att dessa gigantiska planeter huvudsakligen är gjorda av ett kol, väte, syre- och kväveblandning (C-H-O-N) som motsvarar 65 viktprocent vatten, blandas med ammoniak och metan.

Många forskare föreställer sig dessa planeter med helt flytande konvektionsinteriörer. Nu, den experimentella upptäckten av superionisk is borde ge mer styrka till en ny bild för dessa objekt med ett relativt tunt lager av vätska och en stor "mantel" av superionisk is. Faktiskt, en sådan struktur föreslogs för ett decennium sedan – baserad på dynamosimulering – för att förklara dessa planeters ovanliga magnetfält. Detta är särskilt relevant eftersom NASA överväger att lansera en sond till Uranus och/eller Neptunus, i fotspåren av de framgångsrika Cassini- och Juno-uppdragen till Saturnus och Jupiter.

"Magnetiska fält ger viktig information om planeternas interiörer och utveckling, så det är glädjande att våra experiment kan testa – och faktiskt, stöd – idén med tunn dynamo som hade föreslagits för att förklara de verkligt märkliga magnetfälten hos Uranus och Neptunus, sa Raymond Jeanloz, medförfattare på uppsatsen och professor i Earth &Planetary Physics and Astronomy vid University of California, Berkeley. Det är också häpnadsväckande att frusen vattenis finns i tusentals grader inuti dessa planeter, men det är vad experimenten visar."

"Nästa steg blir att bestämma strukturen av syregittret, sa Federica Coppari, LLNL fysiker och medförfattare till uppsatsen. "Röntgendiffraktion utförs nu rutinmässigt i laserchockexperiment vid Omega och det kommer att göra det möjligt att experimentellt bestämma den kristallina strukturen hos superioniskt vatten. Detta skulle vara mycket spännande eftersom teoretiska simuleringar kämpar för att förutsäga den faktiska strukturen av superionisk vattenis."

Blickar framåt, teamet planerar att driva till högre förkomprimering och utöka tekniken till andra material, som helium, det skulle vara mer representativt för planeter som Saturnus och Jupiter.