物理学家在钻石砧槽中开创了一种新的激光加热技术，从而发现一种新型冰。图片来源：Chris Higgins
近日，美国研究人员发现了一种新形式的冰，从而重新定义了高压下水的性质。这一发现可能会影响人们对那些遥远的、富含水的行星的理解。相关研究日前发表于《物理评论B》。
固态水，也就是冰，和许多其他物质一样，可以在不同温度和压力条件下形成不同的固体材料，比如碳可以形成金刚石或石墨。然而，水在这方面却是特殊的，因为人们已知的固态冰至少有20种。
在内华达大学拉斯维加斯分校（UNLV）极端条件实验室工作的科学家，开创了一种测量高压下水的性质的新方法。水样首先被挤压在两颗钻石尖端之间，从而冻结成一些杂乱的冰晶。冰被激光加热后暂时融化，然后又迅速重新形成细小的晶体粉末。
通过逐步提高压力，并周期性地用激光轰击它，研究小组观察到，水冰会从已知的立方相冰—VII过渡到新发现的中间四方相冰—VIIt，最终进入另一个已知相冰—X。
UNLV博士生Zach Grande领导的这项研究还证明，当水急剧变硬时，向冰—X的过渡发生在比之前认为的低得多的压力下。
虽然人们不太可能在地球表面的任何地方发现这种新阶段的冰，但它可能是地球地幔以及太阳系外大型卫星和富水行星中的一种常见成分。
为此，Grande和UNLV物理学家Ashkan Salamat将一份水样放在两颗圆形切割钻石的尖端之间。这两颗钻石被称为钻石砧槽，是高压物理领域的标准特征。只要对钻石施加一点力，研究人员就能够重现与地球中心一样高的压力。
通过挤压这些钻石之间的水样，科学家将氧原子和氢原子变成各种不同的排列形式，包括新发现的冰—VIIt排列。
这种史无前例的激光加热技术不仅让科学家观察到水冰的新阶段，还让他们发现，向冰—X的转变发生在比之前认为的低近3倍的压力下，即30万个大气压而不是100万个大气压。几十年来，这种转变一直是备受争议的话题。
“Zach的研究表明，这种向离子状态的转变发生在比以往任何时候都低得多的压力下。” Salamat说，“这是缺失的一部分，也是在这种条件下对水进行的最精确的测量。”
Salamat补充说，这项工作也重新校准了人们对系外行星组成的理解。研究人员假设，“冰—VIIt”阶段的冰可能大量存在于太阳系外富水行星的地壳和上地幔中，这意味着它们可能有适合生命生存的条件。（李木子 王方）
相关论文信息：
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.105.104109
来源： 中国科学报