Pierfranco Demontis a dit en 1988, "La glace devient un conducteur d'ions rapides à haute pression et à haute température, " mais sa prédiction n'était qu'hypothétique jusqu'à récemment. Après 30 ans d'études, La glace d'eau superionique a été vérifiée expérimentalement en 2018. La superionicité pourrait éventuellement expliquer le fort champ magnétique dans les intérieurs planétaires géants.

Qu'en est-il de la Terre, dont les intérieurs sont également soumis à des conditions de pression et de température extrêmes ? Bien que les trois quarts de la surface de la Terre soient recouverts d'eau, l'eau ou la glace autonomes existent rarement à l'intérieur de la Terre. L'unité la plus courante de l'eau est l'hydroxyle, qui est associé aux minéraux hôtes pour en faire des minéraux hydratés. Ici, un groupe de recherche dirigé par le Dr Qingyang Hu, Dr Duckyoung Kim, et le Dr Jin Liu du Center for High Pressure Science and Technology Advanced Research ont découvert qu'un de ces minéraux hydratés entre également dans une phase superionique exotique, semblable à la glace d'eau dans les planètes géantes. Les résultats sont publiés dans Géosciences de la nature .

"Dans l'eau superionique, l'hydrogène sera libéré de l'oxygène et deviendra liquide, et se déplacer librement dans le réseau d'oxygène solide. De la même manière, nous avons étudié un oxyde-hydroxyde de fer minéral hydraté (FeOOH), et les atomes d'hydrogène se déplacent librement dans le réseau solide d'oxygène de FeO 2 , " a déclaré le Dr He, qui a réalisé la simulation numérique.

"Il s'est développé dans la phase superionique au-dessus d'environ 1700°C et 800, 000 fois la pression atmosphérique normale. De telles conditions de pression et de température garantissent qu'une grande partie du manteau inférieur de la Terre peut héberger le minéral hydrique superionique. Ces régions profondes peuvent avoir des rivières faites de protons, qui s'écoulent à travers les solides », a ajouté le Dr Kim.

Guidés par leurs prédictions théoriques, l'équipe a ensuite tenté de vérifier cette phase superionique prédite dans le FeOOH chaud en réalisant des expériences à haute température et haute pression à l'aide d'une technique de chauffage laser dans une cellule à enclume de diamant.

« Il est techniquement difficile de reconnaître expérimentalement le mouvement des atomes H ; cependant, l'évolution de la liaison O-H est sensible à la spectroscopie Raman, " a déclaré le Dr Hu, l'un des auteurs principaux. "Donc, nous avons suivi l'évolution de la liaison O-H et capturé cet état exotique sous sa forme ordinaire."

Ils ont constaté que la liaison O-H se ramollit brusquement au-dessus de 73, 000 fois la pression atmosphérique normale, avec ~55% d'affaiblissement de l'intensité du pic O-H Raman. Ces résultats indiquent que certains H ⁺ peut être délocalisé de l'oxygène et devenir mobile, Donc, affaiblir la liaison O-H, conforme aux simulations. "Le ramollissement et l'affaiblissement de la liaison O-H dans des conditions de haute pression et de température ambiante ne peuvent être considérés que comme un précurseur de l'état superionique car une température élevée est nécessaire pour augmenter la mobilité au-delà de la cellule unitaire, " a expliqué le Dr Hou.

Dans les matériaux superioniques, il y aura un changement évident de conductivité, ce qui est une preuve solide de superionisation. L'équipe a mesuré l'évolution de la conductivité électrique de l'échantillon dans des conditions de température et de pression élevées. Ils ont observé une augmentation brutale de la conductivité électrique vers 1500-1700°C et 121, 000 fois la pression atmosphérique normale, indiquant que l'hydrogène diffusant avait recouvert la totalité de l'échantillon solide et donc, est entré dans un état superionique.

"Le FeO de type pyrite 2 H X n'est que le premier exemple de phases superioniques dans le manteau inférieur profond, " a fait remarquer le Dr Liu, un co-auteur principal de l'ouvrage. "Il est très probable que l'hydrogène dans les oxydes denses contenant de l'hydrogène récemment découverts qui soient stables dans les conditions P-T élevées du manteau inférieur profond, telles que les phases aqueuses denses, peut également présenter un comportement superionique."