来自劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)的科学家们使用巨型激光将水快速冻结到它奇特的超电子相中，并记录下x射线衍射图，首次确定了它的原子结构——这一切都发生在十亿分之一秒之内。这些发现成果发表在2019年5月1日的《自然》上。1988年科学家们首次预测，水将转变为一种奇特的物质状态，其特征是：在富含水的巨大行星(如天王星和海王星)内部，当遇到极端的压力和温度时，就会出现固态的氧晶格和液态的氢超离子冰共存。
这些预测一直持续到2018年，当时由LLNL的科学家领导一个团队提出了这种奇怪水状态的第一个实验证据。现在LLNL的科学家们公布了新研究结果，利用激光驱动的冲击波和原位x射线衍射，在十亿分之一秒内观察到氧晶格的成核，首次揭示了超离子冰的微观结构，这些数据还提供了对冰巨行星内部结构的进一步了解。LLNL物理学家费代丽卡·科帕里(Federica Coppari)说：我们想确定超声速水的原子结构。
（图示）在这张激光压缩实验的艺术化渲染图中，大功率激光聚焦在钻石表面，产生一系列冲击波，从左到右传播到整个样品组件，同时压缩和加热最初的液态水样品，迫使它冻结成超离子水冰相。图片：Millot, Coppari, Hamel, Krauss (LLNL)
但考虑到预测这种难以捉摸的物质状态是稳定的极端条件，将水压缩到这样的压力和温度，同时拍摄原子结构的快照是一项极其困难的任务，这需要创新的实验设计。研究人员在罗切斯特大学激光能量学实验室(LLE)的Omega激光设备上进行了一系列实验。用六束巨大的激光束产生一系列强度逐渐增加的冲击波，将一层薄薄的初始液态水压缩到极限压力(100-400吉帕(GPa)，或者是地球大气压力的100-400万倍)和温度(3000 - 5000华氏度)。
LLNL的物理学家和合著者之一马利尤斯·米洛(Marius Millot)说：我们设计的实验是为了压缩水，使其冻结成固态冰，但不确定冰晶是否真的会在十亿分之一秒内形成和生长。记录了结晶过程并确认了原子结构，研究小组用16个额外的激光脉冲炸了一个小铁箔，形成了一个热等离子体，产生了精确定时的闪光，照亮了被压缩的水样本，这些水样本一旦进入超离子冰的预测稳定区域。测量的x射线衍射图是致密冰晶在超快冲击波压缩过程中形成的一个明确特征，这表明固态冰从液态水成核的速度足以在实验的纳秒级观察到。
（图示）在这张x射线衍射实验的时间合成照片中，巨大激光聚焦在水样上，放在用来记录衍射图样的诊断仪器的前板上，将水样压缩成优势相。额外的激光束会从铁箔上产生x射线闪光，这使得研究人员能够对压缩/热水层进行快照，诊断监视激光脉冲的时间历史和发出的x射线源亮度。图片：Millot, Coppari, Kowaluk (LLNL)
在之前的研究中，只能测量宏观性质，如内能和温度。因此设计了一个新的不同实验来记录原子结构。找到氧晶格存在的直接证据，为超级水冰的存在之谜带来了最后一块缺失。这为研究人员去年收集到超级冰的存在提供了额外的证据。分析了x射线衍射图在不同实验中是如何变化，这些实验探索了压力和温度条件的增加，研究小组确定了致密水冰的相变为以前未知的面心立方原子结构。已知水有许多不同的晶体结构，称为冰Ih、冰II、冰III，一直到冰17。因此，提议将这种新的fcc固态形式命名为‘ice XVIII’。
计算机模拟已经为超级冰提出了许多不同的可能的晶体结构，研究为数值方法提供了一个关键的测试。该团队的数据对冰巨行的内部结构有着深远影响，由于超级冰最终是固态的，所以认为这些行星具有均匀快速对流流体层的观点不再成立。因为天王星和海王星内部的水冰有一个晶格，所以超离子冰不应该像地球外核那样流动。相反，最好的设想是，超级冰的流动将与地幔相似，地幔由固体岩石构成，但在非常长的地质时间尺度上流动并支持大规模对流运动。这可能会极大地影响我们对内部结构的理解，以及对这些冰冷巨行星及其众多太阳系外表亲的演化。
