南大孫建等與合作者在行星物質新物態方面取得新進展

近日，南京大學物理學院孫建教授等人，與英國劍橋大學、愛丁堡大學的研究人員合作，利用晶體結構搜索和第一性原理分子動力學模擬等方法預言了氦和甲烷在高壓下可形成穩定化合物，並發現該化合物在高溫高壓極端條件下會出現新奇的塑晶態與超離子態共存的現象。相關研究成果以&34;為題，發表在《國家科學評論》上。(National Science Review (2020), DOI : 10.1093/nsr/nwaa064 ) 隨後，中國科學院和美國科學院外籍院士，義大利著名物理學家Erio Tosatti教授專門為本文撰寫了熱點評論。(National Science Review (2020), DOI: 10.1093/nsr/ nwaa121 )

天王星和海王星等冰巨星的大氣由大量的氫氣和氦氣組成，而在大氣層下，其行星地幔主要由水、氨和甲烷等物質構成，稱為積冰層。另一方面，氦是自然界中最惰性的元素，常壓情況下很難與其他物質發生化學反應。而甲烷是一種典型的疏水性分子，相互之間不會形成氫鍵，研究氦和甲烷是否會在高壓下通過純粹的範德華相互作用發生反應而形成新的化合物是一個非常基礎的科學問題，並且對於理解冰巨星內部結構有著重要意義。

圖1：氦-甲烷化合物在高壓下的能量穩定性和晶體結構

孫建教授課題組用自行開發的基於機器學習的晶體結構搜索方法和第一性原理計算，對氦和甲烷在高壓下的化合物，以及它們在高溫高壓下的物態進行了系統研究，得到了一系列令人驚奇的理論結果。他們預言，氦和甲烷在高壓下能形成氦-甲烷比例為 3:1的穩定化合物（如圖1）。

隨後，他們用第一性原理分子動力學詳細研究了氦-甲烷化合物在高溫高壓下的動力學行為，並構建了氦-甲烷化合物的壓強-溫度相圖。他們發現，在150GPa左右的動力學模擬中，在較低溫度下，He3CH4化合物保持著固態晶格（如圖2(a)所示），當溫度升高到1900 K時，氦原子仍然保持著固態的晶格結構，但甲烷分子已經開始繞著分子中的碳原子自由旋轉（如圖2(b)所示），這個相被稱為塑晶相。接著，當溫度升高到2350 K時，甲烷仍處於塑晶態，但是氦原子開始擴散（如圖2(c)所示），如同一種由中性原子構成的超離子態，形成了新奇的塑晶態甲烷和超離子態氦的共存狀態，就像在一起跳舞，這是一種以前從沒有發現過的新奇物態。另外，氦的插入改變了甲烷原有的堆疊方式，也提高了甲烷聚合的壓強。

圖2：在不同溫度下，He3CH4晶體中碳原子（紅色），氫原子（藍色）和氦原子（湖藍色）的運動行為。(a)固態，(b)塑晶態，(c)塑晶態和超離子態共存。為了顯示方便，(c)中不包含氫原子軌跡。

值得一提的是，孫建教授課題組近期在行星物質及其在極端條件下的新物態方面完成了一系列工作，發現氦與水、氨和甲烷會在高壓下反應生成新的化合物，並發現這類化合物在行星條件下可能出現超離子態、塑晶態及其共存態等新物態。（見相關連結）他們的理論預言預示著氦在高壓下可與很多物質發生反應，具有豐富的化學和物理，而且他們發現的新化合物的超離子態、塑晶態等動力學性質也可能對行星的熱導和電導產生影響，進而影響行星的磁場、冷卻和內部結構演化過程等諸多方面，也就意味著現有行星模型可能需要考慮更多的因素。

該論文的第一作者高豪為孫建教授課題組博士生，孫建教授為通訊作者，邢定鈺院士和王慧田教授深入指導，英國愛丁堡大學Andreas Hermann教授，劍橋大學Richard Needs教授和Chris Pickard教授共同參與了研究。該項研究得到了科技部重點研發計劃，國家自然基金，中央高校科研業務費等經費，以及南京大學，人工微結構科學與技術協同創新中心和微結構物理國家重點實驗室的支持。相關計算模擬在南京大學高性能計算中心，人工微結構科學與技術協同創新中心和廣州&34;等超算上完成。（高豪）

相關連結：

Hao Gao, Cong Liu, Andreas Hermann, Richard J. Needs, Chris J. Pickard, Hui-Tian Wang, Dingyu Xing, and Jian Sun, Coexistence of plastic and partially diffusive phases in a helium-methane compound, Natl. Sci. Rev. (2020). DOI : 10.1093/nsr/nwaa064

Cong Liu, Hao Gao, Andreas Hermann, Yong Wang, Maosheng Miao, Chris J. Pickard, Richard J. Needs, Hui-Tian Wang, Dingyu Xing, and Jian Sun, Plastic and superionic helium ammonia compounds under high pressure and high temperature, Phys. Rev. X 10, 021007 (2020). DOI: 10.1103/PhysRevX.10.021007

Cong Liu, Hao Gao, Yong Wang, Richard J. Needs, Chris J. Pickard, Jian Sun, Hui-Tian Wang, Dingyu Xing, Multiple superionic states in helium-water compounds, Nature Physics 15, 1065 (2019). DOI: 10.1038/s41567-019-0568-7

Erio Tosatti, Research highlight: Exotic helium compounds and new states under planetary condition, Natl. Sci. Rev. (2020). DOI: 10.1093/nsr/nwaa121