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天王星与海王星这两颗太阳系边际的冰巨星,一向藏着一个困扰天文学家数十年的谜题:
它们的磁场彻底不同于地球、木星的规整偶极场不只严峻违背行星自转轴,还呈现出杂乱的多极结构。
2026年3月16日宣布在《天然·通讯》上的一项最新研讨,从最根底的物质形状上,为这个谜题提出了全新的合理解说:
在千万倍地球大气压的极点行星内部环境中,碳与氢这两种世界中最常见的元素,会构成一种前所未见的准一维超离子态,其特别的定向导电特性,为行星磁场的反常形状供给了全新的微观机制。
团队结合第一性原理核算模仿与机器学习原子间势,复原了500到3000吉帕斯卡(相当于500万到3000万倍地球大气压)、500到7000开尔文的极点环境,完好追寻了碳氢系统在巨行星内部条件下的结构与行为改变。
其间碳氢比1:1的CH化合物,在1100吉帕斯卡以上的压强下进入热力学安稳状况,1100吉帕斯卡以下仅能以亚稳态存在。
曩昔学界共同以为,冰巨星内部的甲烷在95吉帕斯卡以上的高压中会彻底分化,终究构成金刚石与单质氢。
但这项新研讨却发现,当压强打破1100吉帕斯卡时,碳与氢并不会简略别离,反而会构成安稳的CH化合物。
碳原子经过sp³共价键构成刚性的三维螺旋骨架,氢原子则在骨架的中空通道中,构成独立的接连螺旋链,二者之间没有明显的化学键结合,就像两组相互嵌套、却互不搅扰的螺旋楼梯。
一种原子固定在晶体晶格中坚持固态,另一种原子则在晶格中自在三维分散,呈现出液体般的流动性。
而此次发现的准一维超离子态,彻底打破了这种惯例认知,它是一种介于塑性晶体与惯例超离子态之间的全新物态。
模仿成果为,在1000到3000开尔文的中心温度区间内,CH化合物的碳骨架从始至终坚持安稳的固态,氢原子却呈现出史无前例的运动形式:
它们在笔直于螺旋轴的xy平面内做圆周旋转运动(塑性晶体特性),一起沿着螺旋轴的z方向高速长程分散(超离子态特性)。
浅显来说,氢原子就像在螺旋管道里,一边绕着管道内壁转圈,一边沿着管道飞速行进。
它和传统一维超离子态的中心不同之处在于,传统一维超离子态仅能沿单一方向分散,横向彻底没有办法运动,而这种新状况里,氢原子既能转圈又能直线分散,活动方法更灵敏,因而被称为准一维超离子态。
沿着螺旋轴方向的电导率、热导率,远高于笔直方向,电流与热量只会沿着螺旋通道定向传输,且整个物态中电子输运占肯定主导,离子导电的奉献简直能疏忽。
而传统的行星发电机模型,一向默许行星内部的导电物质是各向同性的,这种定向输运特性,刚好为冰巨星反常磁场的构成,供给了此前从未被考虑过的微观变量。
研讨团队制作的温压相图显现,跟着温度上升,CH化合物会顺次阅历固态、准一维超离子态、三维超离子态,终究变为流体。
而论文准确指出,天王星、海王星内部的压强无法到达准一维超离子态的安稳要求,只要质量更大的亚海王星系外行星,内部更高的压强会让准一维超离子态成为干流物态。
此项发现含义特殊,它不只填补了碳氢系统于极点高压状况下物态研讨的空白,更为冰巨星反常磁场的探求供给了簇新的理论导向,还改写了咱们关于超离子态认知的鸿沟。
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