Hexagonales superionisches Eis bei 219 Gigapascal nachgewiesen – und das verändert Modelle der Eisriesen

Ein internationales Team hat eine Phase des Wassereises bestätigt, die Theoretiker vor mehr als drei Jahrzehnten vorhergesagt hatten, die aber nie sauber beobachtet worden war: eine hexagonal dichtest gepackte (hcp) Form von „superionischem“ Eis, bei Drücken und Temperaturen wie im tiefen Inneren von Uranus und Neptun.

Das in Physical Review Letters von Alexis Forestier und Kollegen veröffentlichte Ergebnis ist der jüngste Eintrag in einem Katalog von mehr als 20 kristallinen Eisphasen. Superionisches Eis ist die seltsamste davon. Die schweren Sauerstoffatome bleiben in einem starren Kristallgitter sitzen, während sich die leichten Wasserstoffkerne – nackte Protonen – lösen und wie eine Flüssigkeit durch dieses Gitter wandern. Das Material ist gleichzeitig Festkörper und, was seinen Wasserstoff betrifft, Flüssigkeit; weil die bewegten Protonen Ladung tragen, leitet es Strom.

Unter solchen Bedingungen schmilzt Wasser nicht wie auf der Küchenarbeitsplatte. Bei 219 Gigapascal und rund 2.630 Kelvin blieb die Probe fest: Der Druck presst die Sauerstoffatome so eng zusammen, dass die Bindekräfte des Gitters die thermische Bewegung überwiegen, und die Hitze reicht nur, um die Protonen in Bewegung zu setzen.

Um dorthin zu gelangen, nutzten die Forschenden laserbeheizte Diamantstempelzellen mit bor-dotierten Diamantabsorbern, die Infrarotlicht aufnehmen und die Probe von beiden Seiten gleichmäßig erhitzen. Ausgelesen wurde die Struktur per Röntgenbeugung an der Beamline ID27 der European Synchrotron Radiation Facility, mit einem Strahl von weniger als einem Mikrometer Breite. Oberhalb von 200 Gigapascal maß die Wasserprobe nur noch etwa zwölf Mikrometer.

Das Experiment zeigt: Oberhalb von 200 GPa und rund 1.800 K weicht die bislang bekannte kubisch-flächenzentrierte (fcc) superionische Phase – Eis XVIII – der hcp-Anordnung, in der Sauerstoffschichten ABAB statt ABCABC stapeln. Der Wechsel läuft über eine martensitische Umwandlung ab, eine koordinierte Scherung des gesamten Gitters statt einer Diffusion einzelner Atome – dieselbe Art von Transformation, mit der Metallurgen Stahl härten. Die beiden Strukturen unterscheiden sich nur in der Stapelfolge, ein mechanisches Abgleiten genügt.

Die Bedeutung reicht über die Kristallographie hinaus. Uranus und Neptun besitzen schiefe, nicht dipolare Magnetfelder; die gängige Erklärung ist ein Dynamo in ihren superionischen Eisschichten, wobei Modelle meist eine einzige fcc-Schicht annehmen. Dominiert in der Tiefe hcp, ergeben sich andere Tiefenprofile für Dichte, Viskosität und elektrische Leitfähigkeit – Magnetfeld-Simulationen müssten womöglich nachgebessert werden.

Zwei Einschränkungen sind festzuhalten. Röntgenbeugung ist weit empfindlicher für Sauerstoff als für Wasserstoff; das Team beobachtete also das hcp-Sauerstoffgitter direkt und schloss auf den superionischen Zustand aus einer anomalen thermischen Ausdehnung. Die Protonenbewegung selbst, die Leitfähigkeit und eine mögliche Richtungsabhängigkeit bleiben ungemessen. Zudem ist das Feld umkämpft: Verschiedene Gruppen melden Übergangstemperaturen, die um Hunderte Kelvin auseinanderliegen, und eine frühere Schockkompressionsstudie sah gemischte dicht gepackte Signaturen.

Eine Kuriosität bleibt: Vermutlich hatte die Gruppe hcp-Eis schon früher erzeugt, ohne es zu bemerken – bei der Durchsicht älterer Daten fiel ein bis dahin nicht zugeordneter Beugungspeak oberhalb von 130 GPa auf.