Исследования Урана и Нептуна показали, что между их водородно-гелиевой атмосферой и каменистым ядром могут существовать слои «горячего льда». Эти слои состоят из воды (H₂O), метана (CH₄) и аммиака (NH₃), которые при экстремальных условиях принимают необычные формы.
При высоких давлении и температуре материя ведёт себя непредсказуемо. Поэтому учёные используют эксперименты и теоретические модели для изучения планет.
Лю и Коэн применили передовые вычислительные технологии и машинное обучение для моделирования гидрида углерода (CH) на квантовом уровне. Они изучили условия с давлением на Земле в 5–30 миллионов раз выше (500–3000 ГПа) и температурой от 6740 до 10 340 °F (4000–6000 К).
Результаты показали формирование структурированной гексагональной решётки, где атомы водорода движутся по спиральным траекториям, создавая квазиодномерное суперионное состояние.
Суперионные материалы находятся между твёрдыми телами и жидкостями. В них один набор атомов зафиксирован в кристаллической структуре, а другой свободно перемещается.
Коэн отметил, что движение атомов в этой фазе не полностью трёхмерное. Водород преимущественно движется по спиральным траекториям внутри упорядоченной углеродной структуры.
Результаты важны для планетологии, так как направленное движение водорода влияет на распределение тепла и электричества внутри планет, а также на интерпретацию магнитных полей ледяных гигантов.
Исследование показало, что даже простые химические системы могут образовывать сложные структуры при экстремальных условиях, расширяя наши представления о веществе при высоком давлении и температуре.
Лю отметил, что поведение углерода и водорода на планетах-гигантах до конца не изучено.
Открытие материалов с ярко выраженными направленными свойствами полезно для материаловедения и инженерии, где такое поведение может привести к новым технологиям.