Физики изучают фазовое поведение суперионной воды
Понимание свойств суперионной воды имеет решающее значение для планетологии, но их трудно исследовать экспериментально или теоретически
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.