天王星和海王星雖然外表冷峻，但其內部卻是一個極度混亂的世界。數百萬倍於地球海平面的壓力與數千度的高溫交織在一起，催生了一些極其詭異的物質。卡內基科學研究所的研究人員在《Nature Communications》上發表論文，描述了一種可能存在於這些極端環境下的全新物態，准一維超離子態。
長期以來，科學家們意識到這些冰巨星並不是由我們地球人理解的普通冰組成的。相反，它們由水、氨和甲烷構成的熾熱而濃稠的漿狀物組成。然而，在實驗室里模擬這種環境幾乎是不可能的，因為這需要萬億帕斯卡的壓力，且溫度高到足以融化大多數容器。
為了解決這個問題，研究人員轉向了模擬手段。在傳統的化學研究中，人們已經知道像甲烷這樣的普通分子在極高壓下無法維持原狀，它們會在大約95GPa的壓力下分解，產生富氫物質和像鑽石一樣的碳同素異形體。
但即使是常見的模擬方法在更高壓力下也會失效。為此，這項研究從第一性原理出發，利用量子力學構建了整個環境模型。模擬結果顯示，當壓力超過1100GPa時，碳和氫會形成一種結構異常獨特的穩定化合物。在這種壓力下，碳原子會鎖定成一個堅固的固體晶格，其形狀就像一個手性螺旋，本質上是一個微觀的旋轉螺旋樓梯。
最有趣的部分發生在加熱之後。通常情況下，加熱會使晶格結構液化，讓原子自由移動。但在某些特殊物質中，比如高壓下的水，升溫會導致一組原子保持晶格固體狀態，而另一組原子則開始自由流動，這種狀態被稱為超離子態。
在1000到3000K之間，這種新型碳氫化合物進入了超離子態。不同於水中由氧原子構成骨架，這裏的晶格是由碳原子構成的。氫原子雖然受到碳晶格的約束，但它們會沿着螺旋樓梯，即z軸，表現出超離子擴散，同時在橫截面，即xy平面，內進行旋轉運動。這些氫原子可以輕鬆地在樓梯上爬上爬下，但在其他方向上，它們更傾向於旋轉而不是平移。
這種一維運動與二維旋轉相結合的特性，使研究人員將其歸類為一種混合型的擴散維度，即世界上首個准一維超離子態。在宏觀尺度上，這意味着該物質的屬性具有各向異性，也就是說，從不同方向測得的物理性質是不同的。例如，該物質在螺旋軸方向上的導熱和導電性能非常好，但在另外兩個方向上則表現平平。
這一發現為解釋天王星和海王星怪異的磁場提供了新線索。傳統的模型在解釋這些行星傾斜的磁場時，通常假設熾熱的超離子冰在所有方向上的導熱和導電性都是相同的。但如果存在這種准一維超離子相，原本的假設就需要重新評估。新模型展現出的方向性差異，或許能更好地契合我們從行星本身獲取的實驗數據。
雖然簡單的碳氫模型極大地簡化了這些星球核心複雜的化學和熱力學過程，但能夠模擬並理解這些物質在現實世界中的運作方式，本身就證明了行星科學仍能教給人類更多關於宇宙運行規律的知識。
（示意圖）
