Учёные открыли новое «квазиодномерное» состояние материи в недрах планет-гигантов
Международная группа исследователей с помощью компьютерного моделирования предсказала существование совершенно нового состояния вещества, которое может возникать в чудовищных недрах планет вроде Урана, Нептуна или далеких «суб-Нептунов».
Обычно мы знаем, что вещество бывает твёрдым, жидким или газообразным. Но в условиях экстремального давления — в миллионы раз выше атмосферного — и температур в тысячи градусов атомы ведут себя странно. Например, в так называемом «суперионном» состоянии одни атомы остаются застывшими в кристаллической решётке, а другие начинают свободно течь, как жидкость.
Теперь же учёные обнаружили ещё более экзотическую разновидность этого явления. Они изучали простое соединение — гидрид углерода (CH) — при давлениях от 1000 до 3000 гигапаскалей, что сравнимо с условиями внутри крупных ледяных гигантов. Оказалось, что при нагревании это вещество переходит в «квазиодномерное суперионное» состояние.
Что это значит? Атомы углерода в этом соединении выстраиваются в жёсткие, закрученные в спираль каркасы. Они остаются неподвижными и сохраняют кристаллическую структуру. А вот атомы водорода, которые при комнатной температуре прочно связаны, здесь обретают свободу, но очень необычным образом. Они не могут двигаться куда угодно, а вынуждены скользить вдоль тех самых спиральных «туннелей», образованных атомами углерода, и одновременно вращаться в поперечной плоскости. Получается, что водород ведёт себя как жидкость только в одном направлении — вдоль оси спирали, а в двух других остаётся «запертым».
Авторы назвали эту подвижность «диффузионной размерностью 2», что-то среднее между пластичным кристаллом и полноценным суперионным состоянием.
Самое интересное — последствия такого поведения. Из-за того, что водород движется лишь по одному каналу, электрические и тепловые свойства материала становятся резко анизотропными. Иными словами, вдоль оси спирали электричество и тепло проводятся гораздо лучше, чем поперёк. Это резко отличается от привычных нам материалов, где свойства одинаковы во всех направлениях.
Это открытие важно по двум причинам. Во-первых, оно даёт учёным новый взгляд на то, как ведут себя простейшие вещества под давлением. Во-вторых, оно может объяснить загадочное поведение магнитных полей Урана и Нептуна. Эти планеты имеют «неправильные», сильно наклонённые и смещённые относительно центра магнитные поля. Обычные модели исходят из того, что проводимость внутри планеты одинакова во всех направлениях, но если внутри действительно есть слои с такой одномерной проводимостью, это могло бы объяснить аномалии.
Хотя чистый гидрид углерода вряд ли составляет основу недр настоящих планет, понимание этого механизма помогает физикам строить более точные модели того, что творится в глубинах далёких миров. Исследователи предполагают, что подобное состояние может быть стабильным не столько в Уране, сколько у более массивных экзопланет, где давление ещё выше.