30多年前意大利物理學(xué)家Pierfrancon Demontis等人通過(guò)經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)預(yù)言了超離子態(tài)冰的存在（Demontis et al., PRL 1988）。在超離子態(tài)冰中, 質(zhì)子發(fā)生快速擴(kuò)散，表現(xiàn)出液態(tài)特征，而氧離子固定在晶格上振動(dòng)表現(xiàn)出固態(tài)特征，因此超離子態(tài)也被認(rèn)為是介于固態(tài)和液態(tài)之間的一種物質(zhì)狀態(tài)，表現(xiàn)出有別于普通固體的性質(zhì)。2019年Marius Millot等人用激光束轟擊水滴, 成功在實(shí)驗(yàn)上首次觀察到了具有面心立方結(jié)構(gòu)的超離子態(tài)冰18 (ice XVIII, Millot et al., Nature 2019)。由于無(wú)序且快速擴(kuò)散的質(zhì)子增加了體系的熵值，使得其熔點(diǎn)增加，從而熱穩(wěn)定性高于其他冰晶結(jié)構(gòu)。超離子態(tài)冰被認(rèn)為存在于天王星和海王星內(nèi)部，而其較高的離子電導(dǎo)率可能對(duì)上述行星的磁場(chǎng)產(chǎn)生影響，因此超離子態(tài)冰已經(jīng)在理論和實(shí)驗(yàn)上得到了廣泛研究，然而對(duì)于超離子態(tài)冰的彈性性質(zhì)，特別是超離子態(tài)相變對(duì)其彈性性質(zhì)的影響此前還未見(jiàn)任何報(bào)道。 本工作中，中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所地球內(nèi)部物質(zhì)高溫高壓院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李和平研究員課題組博士生孫士川和何宇副研究員（院青促會(huì)會(huì)員）與北京高壓科學(xué)中心Duck Young Kim研究員合作，對(duì)超離子態(tài)冰進(jìn)行了第一性原理分子動(dòng)力學(xué)理論計(jì)算研究。分析研究了超離子態(tài)ice X（200 GPa, 500-2000 K）和ice XVIII (200 GPa, 2000-4500 K)的彈性、擴(kuò)散、質(zhì)子電導(dǎo)率和熱穩(wěn)定性等性質(zhì)。該項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)：質(zhì)子在超離子態(tài)ice X 和超離子態(tài) ice XVIII 中展現(xiàn)出了不同的行為，在 ice X 中，質(zhì)子軌跡仍然保持著長(zhǎng)程有序性，同時(shí)彈性常數(shù)如普通固體隨著溫度的升高而衰減。而在超離子態(tài) ice XVIII 中離域無(wú)序的質(zhì)子導(dǎo)致了 ice X 到 ice XVIII 相轉(zhuǎn)變過(guò)程中明顯的彈性軟化。不同于普通固體，在2000-3000 K升溫過(guò)程中（圖1所示），ice XVIII的彈性性質(zhì)發(fā)生了隨溫度增加而強(qiáng)化的異�，F(xiàn)象，從而導(dǎo)致了彈性各向異性和聲波速度的變化。而高溫高壓下超離子態(tài)冰中質(zhì)子的快速擴(kuò)散所產(chǎn)生的額外熵值可能是導(dǎo)致該彈性強(qiáng)化現(xiàn)象的原因。這項(xiàng)工作表明，在超離子態(tài)冰中類(lèi)似液體的快速擴(kuò)散質(zhì)子對(duì)其彈性和聲速有著明顯的影響，它增進(jìn)了我們對(duì)高溫高壓下冰的性質(zhì)的理解，進(jìn)而可以幫助我們更好的去認(rèn)識(shí)冰巨星內(nèi)部結(jié)構(gòu)。 
該成果得到了中國(guó)科學(xué)院先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng) (XDB 18010401)、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 (41774101)、中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)專(zhuān)項(xiàng)基金項(xiàng)目 (2020394) 的資助。 該研究，2020年最新發(fā)表：Shichuan Sun, Yu He*, Duck Young Kim, Li Heping*. Anomalous elastic properties of superionic ice. Physical Review B, 2020, 102, 104108. (原文鏈接：https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.102.104108)。孫士川為文章第一作者，李和平研究員與何宇副研究員（院青促會(huì)會(huì)員）為文章共同通訊作者。
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