Uluslararası bir ekip, teorisyenlerin otuz yıldan uzun süre önce öngördüğü ancak kimsenin net biçimde gözlemleyemediği bir su buzu fazını doğruladı: Uranüs ve Neptün'ün derin iç kısımlarındaki koşullarda, altıgen sıkı paketlenmiş (hcp) bir "süperiyonik" buz.

Alexis Forestier ve meslektaşlarının Physical Review Letters'ta yayımladığı sonuç, 20'den fazla kristal buz fazından oluşan kataloğun en yeni üyesi. Süperiyonik buz, bunların en tuhafı. Ağır oksijen atomları katı bir kristal kafeste sabit kalırken hafif hidrojen çekirdekleri — çıplak protonlar — bağlarından kopuyor ve bu kafes içinde neredeyse bir sıvı gibi dolaşıyor. Malzeme hem kristal bir katı hem de hidrojeni açısından bir sıvı; hareket eden protonlar yük taşıdığı için de elektriği iletiyor.

Bu koşullarda su, mutfak tezgâhındaki gibi erimiyor. 219 gigapaskal ve yaklaşık 2.630 kelvinde numune katı kaldı: Basınç oksijen atomlarını o kadar sıkıştırıyor ki kafesin bağ kuvvetleri ısıl hareketin enerjisini aşıyor; ısı yalnızca protonları harekete geçirmeye yetiyor.

Bu değerlere ulaşmak için araştırmacılar, kızılötesi ışığı soğurup numuneyi iki taraftan eşit biçimde ısıtan bor katkılı elmas soğurucular içeren lazerle ısıtılan elmas örs hücreleri kullandı. Yapı, European Synchrotron Radiation Facility'nin ID27 hattında, bir mikrometreden ince bir ışınla X-ışını kırınımıyla okundu. 200 gigapaskalın üzerinde su numunesi yalnızca yaklaşık 12 mikrometre genişliğindeydi.

Deney, 200 GPa ve civarı 1.800 K üzerinde, bilinen yüzey merkezli kübik (fcc) süperiyonik fazın — buz XVIII'in — yerini hcp düzenine bıraktığını gösterdi: oksijen katmanları ABCABC yerine ABAB biçiminde diziliyor. Geçiş, tek tek atomların difüzyonuyla değil tüm kafesin koordineli bir kayma hareketiyle, yani martenzitik bir dönüşümle gerçekleşiyor — metallurjların çeliği sertleştirirken kullandığı dönüşüm sınıfının aynısı. İki yapı yalnızca istifleme sırasında farklılaşıyor, dolayısıyla mekanik bir kayma yeterli.

Bulgular kristalografinin ötesine geçiyor. Uranüs ve Neptün'ün eğik, dipol olmayan manyetik alanları var ve önde gelen açıklama, bu gezegenlerin süperiyonik buz katmanlarındaki bir dinamo. Modeller genellikle tek bir fcc katmanı varsayıyor. Derinlerde hcp baskınsa yoğunluk, viskozite ve elektriksel iletkenlik farklı derinlik profilleri izler; manyetik alan simülasyonlarının güncellenmesi gerekebilir.

İki çekinceyi akılda tutmak gerekiyor. X-ışını kırınımı oksijene hidrojenden çok daha duyarlı; ekip doğrudan hcp oksijen kafesini gözlemledi ve süperiyonik durumu anormal ısıl genleşmeden çıkarsadı. Proton hareketinin kendisi, iletkenlik ve olası yön bağımlılığı ölçülmedi. Ayrıca alan tartışmalı: Farklı gruplar yüzlerce kelvin farklı geçiş sıcaklıkları bildiriyor ve daha önceki bir şok sıkıştırma çalışması karışık sıkı paketli imzalar görmüştü.

İşin bir tuhaflığı da var: Ekip, arşiv verilerinde 130 GPa üzerinde tanımlanamayan bir kırınım pikine rastladıktan sonra daha önceki ölçümlerde de farkında olmadan hcp buzu üretmiş olabileceğini düşünüyor.

Kaynaklar