Ảnh minh họa: AI

Trong một nghiên cứu đăng tải trên tạp chí Physical Review Letters, nhóm nghiên cứu do nhà vật lý Alexis Forestier thuộc Ủy ban Năng lượng Nguyên tử và Năng lượng thay thế Pháp dẫn đầu đã thử nghiệm tái tạo những điều kiện cực đoan được cho là tồn tại sâu bên trong Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương.

Nhóm đã nén các mẫu nước giữa hai đầu kim cương ở áp suất lên tới 230 gigapascal (GPa), tương đương khoảng 2,3 triệu lần áp suất khí quyển ở mực nước biển. Các mẫu nước đồng thời được nung nóng bằng laser lên đến hàng nghìn độ C.

Ở những điều kiện thông thường, nước ở mức nhiệt này sẽ chuyển thành khí. Tuy nhiên, dưới áp suất cực lớn, sự giãn nở của nước bị kìm hãm, khiến vật chất có thể tồn tại ở những trạng thái đặc biệt.

Và một trong số đó là trạng thái “băng siêu ion”. Dưới trạng thái kỳ lạ này, các nguyên tử oxy vẫn giữ vị trí tương đối cố định trong mạng tinh thể giống như trong chất rắn, trong khi các hạt nhân hydro lại có thể di chuyển linh động qua mạng tinh thể giống như các hạt trong chất lỏng. Chính đặc tính này khiến băng siêu ion vừa mang đặc điểm của chất rắn, vừa có tính chất giống chất lỏng.

Sử dụng chùm tia X synchrotron cực hẹp để theo dõi sự thay đổi trong mạng tinh thể khi áp suất và nhiệt độ tăng lên, nhóm nghiên cứu đã thấy sự xuất hiện của một cấu trúc băng được dự đoán về mặt lý thuyết nhưng chưa từng được quan sát rõ ràng trong các thí nghiệm trước đây: băng lục giác xếp chặt (hcp).

Các nhà khoa học phát hiện cấu trúc hcp có thể chuyển đổi qua lại với cấu trúc lập phương tâm mặt (fcc), vốn đã được biết đến trong một số dạng băng siêu ion. Khi các điều kiện trở nên khắc nghiệt hơn, cấu trúc hcp dần chiếm ưu thế.

Cụ thể, ở áp suất 155 GPa và nhiệt độ 1.726 độ C, tín hiệu tia X cho thấy sự tồn tại đồng thời của hai cấu trúc fcc và hcp. Khi áp suất tăng lên 197 GPa và nhiệt độ 1.976 độ C, dấu hiệu của hcp trở nên rõ rệt hơn. Đến 219 GPa và 2.356 độ C, tín hiệu của fcc gần như biến mất, trong khi hcp chiếm ưu thế.

Nhóm nghiên cứu cho rằng ở áp suất trên khoảng 200 GPa, cấu trúc hcp có thể trở thành dạng ổn định hơn của băng siêu ion.

Theo các nhà khoa học, phát hiện này có thể giúp giới khoa học hiểu rõ hơn về cấu trúc bên trong các hành tinh băng khổng lồ. Trạng thái băng siêu ion được cho là tồn tại sâu bên trong Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương, nơi các đặc tính điện của vật chất có thể liên quan đến sự hình thành từ trường khác thường của hai hành tinh.

Nếu băng hcp có khả năng dẫn điện khác với băng fcc, sự hiện diện của nó có thể ảnh hưởng đến các mô hình về cách vật chất và điện tích di chuyển trong lòng Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương, qua đó góp phần lý giải nguồn gốc của những từ trường phức tạp và lệch khỏi trục quay của chúng.

Tuy nhiên, các đặc tính của băng hcp vẫn chưa được hiểu đầy đủ. Các nhà khoa học cho rằng cần thêm nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm để xác định độ bền cơ học, khả năng dẫn điện cũng như phạm vi áp suất và nhiệt độ mà cấu trúc này ổn định so với băng fcc.