物理学家研究超离子水的相行为

2021年9月28日被 新闻工作人员/来源

劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory)的一个物理学家团队利用机器学习技术,以前所未有的分辨率研究了超离子水的相行为。超离子水是一种水的相,氢原子变成液态,而氧原子保持固态,就像在晶格上一样。

氢原子很容易在超离子和液相之间扩散。在100 GPa和3250 K(熔融曲线上)下,显示了含有20736个原子的水系统的液体fcc超电子界面。氧原子是红色的,氢原子是白色的。黄色、绿色和蓝色线显示了在75 ps分子动力学模拟运行期间三个氢原子的轨迹。图片来源:Cheng等人,内政部:10.1038/s41567-021-01334-9。

氢原子很容易在超离子和液相之间扩散。在100 GPa和3250 K(熔融曲线上)下,显示了含有20736个原子的水系统的液体fcc超电子界面。氧原子是红色的,氢原子是白色的。黄色、绿色和蓝色线显示了在75 ps分子动力学模拟运行期间三个氢原子的轨迹。图片来源:郑, doi: 10.1038 / s41567 - 021 - 01334 - 9。

水是天王星和海王星地幔的主要成分,超音速水被认为稳定在这些冰巨行星半径的三分之一以上的深处。

虽然30多年前就提出了超声速水的假设,但它的光学性质(它是部分不透明的)和氧晶格直到最近才被准确地测量出来,许多性质仍未绘制出来。

了解其性质对行星科学至关重要,但很难通过实验或理论进行探索。

超离子水的量子力学模拟传统上仅限于较短的模拟时间和较小的系统尺寸,导致相界(如熔化线)位置的显著不确定性。

在这项新的研究中,劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的塞巴斯蒂安·哈默尔博士及其同事利用机器学习技术从量子力学计算中学习原子相互作用,从而在处理大系统尺寸和长时间尺度的能力上实现了飞跃。

然后,研究人员利用机器学习的势来驱动分子动力学,并使用先进的自由能取样方法来精确确定相界。

哈默尔博士说:“我们使用机器学习和自由能方法来克服量子力学模拟的局限性,并描述极端条件下氢的扩散、超电子跃迁和水的相行为。”。

作者发现,与现有实验观测一致的相界有助于解析冰巨星内部的绝缘冰、不同的超离子相和液态水的分数。

“我们对超声速水的定量了解,让我们了解了天王星和海王星等行星的内部结构、演化和磁场,以及冰质系外行星数量的增加,”哈默尔博士说。

这个学习这篇文章发表在《华尔街日报》上自然物理学.

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B.郑. 行星条件下超离子水的相位行为。Nat。,于2021年9月23日在线发布;内政部:10.1038/s41567-021-01334-9

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