超离子态研究方面取得最新成果

南京大学物理学院、固体微结构物理国家重点实验室的孙建教授和王慧田教授等人利用晶体结构搜索和**性原理分子动力学模拟等方法预言了氦和水在高压下可形成稳定化合物，并发现这些化合物在高温高压*端条件下会出现多个超离子态。他们的发现将为进一步研究氦的化合物，以及行星内部结构提供重要的理论参考。相关研究成果以“Multiple superionic states in helium-water compounds”为题，于伦敦时间2019年7月1日在线发表在《自然?物理》(Nature Physics)上。

超离子态是一种部分固体部分液体的特殊物态，当物体处于这种状态时，物体中的部分原子在其晶格格点附近振动，具有固体状态；而另一部分原子则可以自由地扩散，呈现液体行为。很多物体，特别是水和氨等，在一定的温度和压力条件下都能够出现这种超离子态。早在30多年前，Demontis等人在模拟冰的相图的时候就发现，冰中的氢原子在一定的温度压力条件下就会像液体一样自由扩散，而其中的氧原子仍然呈现固体的状态，只在晶格格点附近振动而不扩散。近年来，对天王星和海王星这类覆盖大量积冰层的天体的物态演化研究是当前人类探索未知天体的重要研究方向。天王星和海王星大气由大量的氢气和氦气组成，而在大气层下，星体90%的体积充斥着由水、氨和甲烷等物质构成的积冰层。1999年，Cavazzoni等人在模拟积冰层温度压力条件时发现，环境压强和温度将随着深度的增加而逐渐升高并接近冰的超离子态的形成条件。也就是说，在天王星和海王星这类行星的内部，很可能存在着超离子态的冰。

另一方面，氦是自然界中*惰性的元素，通常很难与其它物质发生化学反应。但近年来的研究表明，在高压下，氦的化学性质会发生变化，可以跟某些物质形成化合物。比如，有研究人员发现，氦和水在300GPa的高压下会发生反应。但是作为宇宙中丰度*高的物质之一，氦会对积冰层中的物态演化有何影响，目前还是人类认知的空白。基于这样的背景，孙建教授的课题组用自行开发的基于机器学习加速的晶体结构搜索方法和**性原理计算，对氦和水在高压下的化合物，以及他们在高温高压下的物态进行了系统研究，得到了一系列令人惊奇的理论结果。他们预言，当压强升高到2到92 GPa之间，氦和水就可以发生反应并形成稳定的化合物，如不同化学配比的HeH2O 和He2H2O等。其中He2H2O存在两种对称性：低压下的I41md和高压下的Fd3m，这两种相之间的相变压强在55GPa左右。他们还发现的氦-水化合物中冰的子晶格与纯的冰VIII和冰X相具有相似性。

随后，他们用**性原理分子动力学详细研究了氦水化合物在高温高压下的动力学行为，发现了非常有意思的结果。他们发现，在90GPa左右开始的动力学模拟中，在较低温度下He2H2O化合物保持着固态晶格（所有原子的扩散系数为零，如图1 a, d, g所示），当温度升高到2000 K时，氢和氧原子仍然保持着固态冰的子晶格结构，但氦原子已经开始扩散（扩散系数不为零，并且氦原子之间的轨迹已经开发交叠，如图1b, e, h所示），他们将这个相命名为SI-I相。接着，当温度升高到2300 K时，固态冰的子晶格结构也被破坏，其中的氢原子也和氦原子一样开始扩散，而剩下氧原子却仍然保持着固态晶格结构，图1 c, f, i中可以很明显地看到氢和氦的轨迹都已经开始交叠到一起，他们将这个相命名为SI-II相。并且可以注意到虽然在一般情况下液体中质量大的原子运动速度小，但是在这个SI-II相中，氦原子的扩散系数大于氢原子（如图1 c, f, i）。这是因为氢氧原子之间形成了共价键，而氦原子与氢氧之间则由范德瓦尔斯相互作用结合，范德瓦尔斯相互作用远小于共价键，所以随着温度升高，范德瓦尔斯相互作用**被破坏，而动态的共价作用阻碍了氢原子的扩散行为，使得氢原子的扩散系数比氦原子更低。当温度高于2500K以后，所有原子都发生扩散，完全成为液态。

基于不同原子的运动行为，他们构建了一个氦水化合物的温度-压力相图（如图2）。介于固相和液相之间，我们找到了两个新的超离子态区域（SI-I和SI-II），相对于纯水的超离子态区域（白色虚线），我们的相边界延伸到了低压区域，接近常压。这将*大降低实现超离子态的实验难度。

这项工作发现了新的氦-水化合物，并且发现氦-水化合物在高温高压下的多种超离子态。他们的这个发现将为人们重新认识氦在高压下的物理化学性质，以及天王星和海王星这类天体的结构演化提供重要的参考。