Uranüs ve Neptün gibi buz devlerinin iç yapılarının dışarıdan göründüğünün aksine inanılmaz derecede kaotik olduğu ortaya çıktı. Dünya'nın deniz seviyesindeki basıncının milyonlarca katına ulaşan basınç ve binlerce derece sıcaklık, oldukça tuhaf maddelerin oluşmasına neden oluyor.
Carnegie Institution'dan araştırmacıların Nature Communications dergisinde yayımlanan yeni bir makalesi, bu ekstrem ortamlarda var olabilecek tamamen yeni bir madde halini tanımlıyor: "yarı-1B süperiyonik" faz.
Bilim insanları uzun süredir bu buz gezegenlerinin, Dünya'daki bildiğimiz "buzlar" gibi olmadığını biliyorlardı. Bunun yerine, sıcak, yoğun bir su, amonyak ve metan karışımından oluşuyorlar.
Ancak bu karışımı oluşturan koşulları laboratuvarda yeniden yaratmak neredeyse imkansız. Bu, çoğu kabı eritecek yüksek sıcaklıklarda terapaskal düzeyinde basınç gerektirir.
Tipik olarak araştırmacılar bu sorunu çözmek için simülasyonlara başvuruyorlar. Özellikle Güneş'ten 7. gezegenin ortamını, basıncını ve ısısını taklit eden "Sentetik Uranüs" simülasyonu kullanılıyor.
Önceki kimyasal çalışmalardan, metan gibi geleneksel moleküllerin bildiğimiz formlarında hayatta kalmadığını zaten biliyoruz. Yaklaşık 95 gigapascalda parçalanarak, elmas gibi karbon allotroplarının yanı sıra hidrojenden zengin malzemeler oluşturuyor.
Ancak bu simülasyon tarzının bile kusurları var ve daha yüksek basınçlarda yetersiz kalıyor.
Bu sorunu gidermek için makale, sistemin kuantum mekaniğini kullanarak tüm ortamı inşa etmeye olanak tanıyan ilk prensiplerden hareket ediyor. En azından kuantum mekaniğinin modellenmesine izin verdiği ölçüde.
Bu simülasyon yöntemine göre, 1100 GPa üzerindeki basınçlarda karbon ve hidrojen, ancak oldukça sıra dışı bir yapıya sahip kararlı bir bileşik oluşturuyor.
Bu basınçlarda karbon atomları, mikroskobik, dönen bir spiral merdiven gibi görünen, kiral helis şeklinde sağlam bir kafes yapısına kilitleniyor.
Ancak en ilginç kısım ısı eklendiğinde ortaya çıkıyor. Normalde, ısı eklemek bu kafes yapısını bir sıvıya dönüştürerek atomların serbestçe hareket etmesini sağlar.
Ancak su gibi bazı diğer malzemelerde, ısıyı artırmak bir grup atomun (su durumunda oksijen) kristal katı halde kalmasına neden olurken, diğerinin (hidrojen) serbestçe akmaya başlamasına yol açar. Bu, "süperiyonik" durum olarak bilinir.
1000 ila 3000 Kelvin arasında, yeni CH bileşiği süperiyonik duruma giriyor, ancak bir bükülme ile. Suda olduğu gibi oksijenin kristal yapıyı oluşturması yerine, bu kristal kafes karbon atomlarından oluşuyor.
Hidrojen atomları, karbon kafesi tarafından kısıtlanmış olsalar da, helis "merdiveni" boyunca (z-ekseni) süperiyonik difüzyon gösteriyor ve enine (xy) düzlemde dönme hareketi sergiliyor.
Bu hidrojen atomları merdivende yukarı veya aşağı kolayca akabilir, ancak diğer yönlerde hareket etmek yerine dönme eğilimindeler.
Bu tek yönlü hareket ve iki boyutlu dönme, araştırmacıları bu durumu "difüzyon boyutluluğu"nun hibrit bir türü olarak kategorize etmeye yönlendirdi; bu da dünyanın ilk yarı-1B süperiyonik durumu oldu.
Tüm bunlar teoride iyi, ancak pratikte ne anlama geliyor? En belirgin etkisi, malzemenin özelliklerinin anizotropik hale gelmesi, yani ölçüldükleri yöne bağlı olarak değişmesidir.
Örneğin, malzeme "merdiven" ekseninde ısıyı ve elektriği çok iyi iletirken, diğer iki yönde o kadar iyi iletmiyor. Ayrıca, hareketli hidrojen atomlarına (pozitif yüklü) sahip olmasına rağmen, elektriksel iletkenlik hala elektron hareketleri tarafından domine ediliyor.
Bu durum, Neptün ve Uranüs'ün manyetik alanlarının neden bu kadar tuhaf olduğuna dair teorilere katkıda bulunuyor. Geleneksel modeller, sıcak, süperiyonik buzların ısıyı ve elektriği her yönde aynı şekilde ilettiği varsayımıyla eğimli manyetik alanlarını açıklıyor.
Ancak bu yeni yarı-1B süperiyonik faz ile bu varsayım sorgulanıyor ve gezegenlerden elde edilen deneysel verilerle daha iyi uyum sağlayabilir.
Açıkçası, temel bir karbon-hidrojen malzemesi, bu dünyanın çekirdeklerinde meydana gelen karmaşık kimyasal ve termal dinamiklerin büyük bir basitleştirmesidir.
Ancak bu malzemelerin gerçek dünyada nasıl çalışabileceğini modelleme ve anlama şansına sahip olmamız bile, gezegen biliminin evrenin nasıl çalıştığı hakkında bize hala çok şey öğretebileceğini gösteriyor.
