Pierfranco Demontis disse nel 1988, "Il ghiaccio diventa un conduttore di ioni veloci ad alta pressione e alte temperature, ma la sua previsione era solo ipotetica fino a poco tempo fa. Dopo 30 anni di studio, Il ghiaccio d'acqua superionico è stato verificato sperimentalmente nel 2018. La superionicità potrebbe alla fine spiegare il forte campo magnetico negli interni dei pianeti giganti.

Che dire della Terra, i cui interni sono anche sottoposti a condizioni di pressione e temperatura estreme? Sebbene i tre quarti della superficie terrestre siano coperti dall'acqua, l'acqua o il ghiaccio isolati raramente esistono all'interno della Terra. L'unità più comune dell'acqua è l'idrossile, che è associato ai minerali ospiti per renderli minerali idrati. Qui, un gruppo di ricerca guidato dal Dr. Qingyang Hu, Dottor Duckyoung Kim, e il dottor Jin Liu del Center for High Pressure Science and Technology Advanced Research hanno scoperto che uno di questi minerali idrati entra anche in una fase superionica esotica, simile al ghiaccio d'acqua nei pianeti giganti. I risultati sono pubblicati in Geoscienze della natura .

"Nell'acqua superionica, l'idrogeno verrà rilasciato dall'ossigeno e diventerà liquido, e si muovono liberamente all'interno del reticolo solido di ossigeno. Allo stesso modo, abbiamo studiato un minerale idrato ossido-idrossido di ferro (FeOOH), e gli atomi di idrogeno si muovono liberamente nel reticolo solido di ossigeno di FeO ₂ , " ha detto il dottor He, che ha condotto la simulazione computazionale.

"Si è sviluppato nella fase superionica al di sopra di circa 1700°C e 800, 000 volte la pressione atmosferica normale. Tali condizioni di pressione e temperatura assicurano che un'ampia porzione del mantello inferiore della Terra possa ospitare il minerale superionico idrato. Queste regioni profonde possono avere fiumi fatti di protoni, che scorrono attraverso i solidi." ha aggiunto il Dr. Kim.

Guidati dalle loro previsioni teoriche, il team ha quindi cercato di verificare questa fase superionica prevista in FeOOH caldo eseguendo esperimenti ad alta temperatura e alta pressione utilizzando una tecnica di riscaldamento laser in una cella a incudine di diamante.

"È tecnicamente difficile riconoscere sperimentalmente il movimento degli atomi di H; tuttavia, l'evoluzione del legame O-H è sensibile alla spettroscopia Raman, " ha detto il dottor Hu, uno degli autori principali. "Così, abbiamo seguito l'evoluzione del legame OH e catturato questo stato esotico nella sua forma ordinaria".

Hanno scoperto che il legame OH si ammorbidisce bruscamente sopra 73, 000 volte la normale pressione atmosferica, insieme a circa il 55% di indebolimento dell'intensità di picco di OH Raman. Questi risultati indicano che alcuni H ⁺ può essere delocalizzato dall'ossigeno e diventare mobile, così, indebolendo il legame O-H, coerente con le simulazioni. "L'ammorbidimento e l'indebolimento del legame O-H a condizioni di alta pressione e temperatura ambiente possono essere considerati solo come un precursore dello stato superionico perché è necessaria un'alta temperatura per aumentare la mobilità oltre la cella elementare, " ha spiegato il dottor Hou.

Nei materiali superionici, ci sarà un evidente cambiamento di conduttività, che è una solida prova di superionizzazione. Il team ha misurato l'evoluzione della conduttività elettrica del campione in condizioni di alta temperatura e pressione. Hanno osservato un brusco aumento della conduttività elettrica intorno a 1500-1700°C e 121, 000 volte la normale pressione atmosferica, indicando che l'idrogeno diffusivo aveva coperto l'intero campione solido e quindi, entrato in uno stato superionico.

"Il tipo pirite FeO ₂ h _X è solo il primo esempio di fasi superioniche nel profondo mantello inferiore, " ha osservato il dottor Liu, co-autore principale dell'opera. "È molto probabile che l'idrogeno negli ossidi densi contenenti idrogeno scoperti di recente che sono stabili nelle condizioni di alta P-T del mantello inferiore profondo, come fasi idrate dense, può anche esibire un comportamento superionico."