Физики изучают фазовое поведение суперионной воды

Используя машинное обучение, группа физиков из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса с беспрецедентным разрешением изучила фазовое поведение суперионной воды — фазы воды, в которой атомы водорода становятся жидкими, а атомы кислорода остаются твердыми на кристаллической решетке.

Вода является доминирующей составляющей мантии Урана и Нептуна, и считается, что суперионная вода стабильна на глубинах, превышающих примерно одну треть радиуса этих планет — ледяных гигантов.

Хотя суперионная вода была постулирована более трех десятилетий назад, ее оптические свойства (она частично непрозрачна) и решетки кислорода были точно измерены только недавно, а многие свойства до сих пор не изучены.

Понимание ее свойств имеет решающее значение для планетологии, но их трудно исследовать экспериментально или теоретически.

Квантово-механическое моделирование суперионной воды традиционно ограничивалось коротким временем моделирования и небольшим размером системы, что приводило к значительной неопределенности в расположении фазовых границ, таких как линия плавления.

В новом исследовании ученые сделали скачок в своей способности обрабатывать системы больших размеров во времени, используя методы машинного обучения для изучения атомных взаимодействий на основе квантово-механических расчетов.

Затем исследователи использовали этот потенциал машинного обучения для управления молекулярной динамикой и позволили использовать передовые методы отбора проб свободной энергии для точного определения фазовых границ.

«Мы используем машинное обучение и методы свободной энергии, чтобы преодолеть ограничения квантово-механического моделирования и охарактеризовать диффузию водорода, суперионные переходы и фазовое поведение воды в экстремальных условиях», — сказал автор работы Себастьен Хамель.

Авторы обнаружили, что границы фаз, которые согласуются с существующими экспериментальными наблюдениями, помогают определить доли изолирующего льда, различных суперионных фаз и жидкой воды внутри планет — ледяных гигантов.

«Наше количественное понимание суперионной воды проливает свет на внутреннюю структуру, эволюцию и магнитные поля планет, таких как Уран и Нептун, а также на увеличивающееся количество обнаруженных ледяных экзопланет», — говорит Себастьен Хамель.

Исследование было опубликовано в журнале Nature Physics.