一个由罗斯托克大学、法国国家科学研究中心-巴黎综合理工学院（CNRS-École Polytechnique）以及德累斯顿-罗森多夫亥姆霍兹中心科学家共同领导的国际研究团队，首次证实了水在极端条件下存在一种此前未知的状态——超离子水。借助欧洲 X 射线自由电子激光装置（European XFEL）以及美国斯坦福线性加速器中心（SLAC）的林卡相干光源（Linac Coherent Light Source, LCLS）所进行的实验，研究人员成功揭示了这种具有极高导电性的奇异物相。该状态很可能存在于如天王星和海王星这样的冰巨星内部。
超离子水仅在极端条件下形成——温度高达数千摄氏度，压力可达数百万个大气压。在这种状态下，水呈现出一种非常特殊的结构：氢离子可在由氧原子构成的固态晶格中自由移动，从而表现出接近液态电解质的离子导电行为。
行星科学研究的重要里程碑
由于超离子水具有极佳的离子导电性，它与冰巨星内部异常磁场的形成机制密切相关。天王星和海王星内部含有大量的水，因此超离子水实际上可能是太阳系中最常见的水的形态之一。
新研究揭示超离子冰的复杂结构
尽管此前实验中已实现超离子水的产生，但其精细的原子结构一直未被清晰揭示。早期研究曾推测，超离子冰中的氧原子可能以体心立方（bcc）或面心立方（fcc）结构排列，即两种常见的立方晶格类型：前者在立方体中心额外有一个原子，后者则在每个立方面的中心有一个原子。
然而，这项最新研究描绘了一幅远为复杂的图景。研究人员发现，超离子水的氧原子晶格并非单一的规则排列，而是同时包含面心立方与六方最密堆积的结构特征。六方最密堆积是指原子在呈六边形排布的层状结构中紧密堆积的方式，它与立方堆积区域相互交织，导致了明显的堆垛缺陷。氧原子并非按照单一规整方式排列，而是形成了一种混合且不规则的序列——这种复杂的结构模式，只有借助最先进的 X 射线激光装置进行高精度测量才能被解析出来。
在实验室中创造行星内部的极端环境
为了获得这些认识，研究团队分别在美国 LCLS 的“极端条件下的物质”（Matter in Extreme Conditions, MEC）实验站和欧洲 XFEL 的“高能密度物理与强场实验”（HED-HIBEF）装置上进行了实验。这些装置能够将水样本压缩至超过 150 万个大气压，同时加热至数千摄氏度，并在数十亿分之一秒的时间尺度上记录其原子结构的动态变化。
水的结构新认知拓展研究视野
实验数据与最先进的理论模拟结果高度一致，表明超离子水可以表现出与不同压力、温度下固态冰相似的结构多样性。该研究突显出，水虽然表面上看似简单，但在极端条件下总能展现出崭新而令人惊奇的物性。此外，这些发现为完善冰巨星的内部结构模型及其形成理论提供了宝贵的边界条件。这类行星在太阳系之外也普遍存在，因此相关认识对系外行星研究具有重要意义。
本研究由德国研究基金会（DFG）与法国国家研究署（ANR）共同资助。来自欧洲与美国的六十余位科学家参与了实验及数据分析工作。
