Vědci odhalili nový stav hmoty v nitru Uranu a Neptunu: Může vysvětlit záhadná magnetická pole planet

V nitru ledových obrů, jako jsou Uran a Neptun, panují extrémně chaotické podmínky. Tlaky milionykrát vyšší než na hladině moře na Zemi a teploty dosahující tisíců stupňů vytvářejí materiály s neobvyklými vlastnostmi.

V nitru ledových obrů, jako jsou Uran a Neptun, panují extrémně chaotické podmínky. Tlaky milionykrát vyšší než na hladině moře na Zemi a teploty dosahující tisíců stupňů vytvářejí materiály s neobvyklými vlastnostmi. Nová studie vědců z Carnegie Institution, publikovaná v časopise Nature Communications, popisuje zcela nový stav hmoty, který by mohl v těchto extrémních prostředích existovat – takzvanou „kvazi-1D superiontovou“ fázi.

Dlouho se ví, že tyto ledové planety nejsou tvořeny běžným ledem, jak si ho představujeme na Zemi. Místo toho se skládají z horké, husté směsi vody, amoniaku a metanu. Znovu vytvořit podmínky, které tuto směs vytvářejí v laboratoři, je téměř nemožné, protože by to vyžadovalo terapascaly tlaku při teplotách, které by roztavily většinu nádob. Vědci se proto obvykle obracejí k simulacím, konkrétně k modelu známému jako „Syntetický Uran“, který napodobuje prostředí sedmé planety od Slunce, včetně tlaku a tepla.

Předchozí chemické studie ukázaly, že konvenční molekuly, jako je metan, v těchto podmínkách nepřežijí ve svých tradičních formách; rozpadají se a vytvářejí materiály bohaté na vodík spolu s uhlíkovými alotropy, jako je diamant. Nová studie však přistupuje k problému z pohledu prvních principů, což umožňuje kvantové mechanice systému vybudovat celé prostředí. Podle této simulační metody se při tlacích nad 1100 GPa uhlík a vodík spojují a tvoří stabilní sloučeninu s vysoce neobvyklou strukturou. Atomy uhlíku se při těchto tlacích uzamknou do pevné, chirální spirálové mřížky, připomínající mikroskopické, točité schodiště.

Nejzajímavější část nastává po přidání tepla. Mezi 1000 a 3000 Kelviny tato nová sloučenina CH vstupuje do superiontového stavu, ale s jedinečnou vlastností. Namísto toho, aby se krystalická struktura tvořila z kyslíku (jako u vody), je tato mřížka tvořena atomy uhlíku. Atomy vodíku, ačkoliv jsou omezeny uhlíkovou mřížkou, vykazují superiontovou difúzi podél spirálového „schodiště“ (osa z) v kombinaci s rotačním pohybem v příčné rovině (xy). Tyto atomy vodíku mohou snadno proudit nahoru nebo dolů po schodišti, ale v jiných směrech se spíše otáčejí než pohybují. Tento jednosměrný pohyb s dvourozměrnou rotací vedl vědce k zařazení tohoto stavu jako hybridního typu „difúzní dimenzionality“ – prvního kvazi-1D superiontového stavu na světě.

V praxi to znamená, že vlastnosti materiálu se stávají anizotropními, tedy se liší v závislosti na směru měření. Například materiál velmi dobře vede teplo a elektřinu podél osy „schodiště“, ale méně v ostatních dvou směrech. Navzdory přítomnosti pohybujících se kladně nabitých atomů vodíku se zdá, že elektrická vodivost je stále dominantně řízena pohybem elektronů. Na makroskopické úrovni tento objev pomáhá podpořit teorie o tom, proč jsou magnetická pole Neptunu a Uranu tak neobvyklá. Konvenční modely vysvětlují jejich nakloněná magnetická pole předpokladem, že horké, superiontové ledy vedou teplo a elektřinu stejným způsobem ve všech směrech. S touto novou kvazi-1D superiontovou fází je tento předpoklad zpochybněn a mohl by lépe odpovídat experimentálním datům získaným přímo z planet. Ačkoliv základní uhlíkovo-vodíkový materiál je masivním zjednodušením složité chemické a tepelné dynamiky v jádrech těchto světů, samotná možnost modelovat a porozumět tomu, jak některé z těchto materiálů mohou fungovat v reálném světě, ukazuje, kolik toho nám planetární věda ještě může o fungování vesmíru naučit.