Parmi les nombreuses découvertes sur la matière à haute pression qui lui ont valu le prix Nobel en 1946, le scientifique Percy Bridgman a découvert cinq formes cristallines différentes de glace d'eau, inaugurant plus de 100 ans de recherche sur le comportement de la glace dans des conditions extrêmes.

L'une des propriétés les plus intrigantes de l'eau est qu'elle peut devenir superionique lorsqu'elle est chauffée à plusieurs milliers de degrés à haute pression, similaire aux conditions à l'intérieur des planètes géantes comme Uranus et Neptune. Cet état exotique de l'eau est caractérisé par des ions d'hydrogène de type liquide se déplaçant dans un réseau solide d'oxygène.

Depuis que cela a été prévu pour la première fois en 1988, de nombreux groupes de recherche dans le domaine ont confirmé et affiné les simulations numériques, tandis que d'autres ont utilisé des techniques de compression statique pour explorer le diagramme de phase de l'eau à haute pression. Alors que des signatures indirectes ont été observées, aucun groupe de recherche n'a été en mesure d'identifier des preuves expérimentales de la glace d'eau superionique jusqu'à présent.

Dans un article publié aujourd'hui par Physique de la nature , une équipe de recherche du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), l'Université de Californie, Berkeley et l'Université de Rochester fournissent des preuves expérimentales de la conduction superionique dans la glace d'eau dans des conditions intérieures planétaires, vérifier la prédiction de 30 ans.

En utilisant la compression de choc, l'équipe a identifié des signatures thermodynamiques montrant que la glace fond près de 5000 Kelvin (K) à 200 gigapascals (GPa—2 millions de fois l'atmosphère terrestre)—4000 K plus haut que le point de fusion à 0,5 mégabar (Mbar) et presque la température de surface du soleil.

"Nos expériences ont vérifié les deux principales prédictions pour la glace superionique :une conductivité protonique/ionique très élevée dans le solide et un point de fusion élevé, " a déclaré l'auteur principal Marius Millot, un physicien au LLNL. "Notre travail fournit des preuves expérimentales de la glace superionique et montre que ces prédictions n'étaient pas dues à des artefacts dans les simulations, mais en fait capturé le comportement extraordinaire de l'eau dans ces conditions. Cela fournit une validation importante des simulations quantiques de pointe utilisant la dynamique moléculaire basée sur la théorie fonctionnelle de la densité (DFT-MD)."

« Poussé par l'augmentation des ressources de calcul disponibles, Je sens que nous avons atteint un tournant, " a ajouté Sébastien Hamel, Physicien du LLNL et co-auteur de l'article. "Nous sommes maintenant à un stade où un nombre suffisamment important de ces simulations peuvent être exécutés pour cartographier de grandes parties du diagramme de phase des matériaux dans des conditions extrêmes avec suffisamment de détails pour soutenir efficacement les efforts expérimentaux."

En utilisant des cellules à enclume diamant (DAC), l'équipe a appliqué 2,5 GPa de pression (25 000 atmosphères) pour pré-comprimer l'eau dans la glace à température ambiante VII, une forme cristalline cubique différente de la glace hexagonale « glaçon », en plus d'être 60 pour cent plus dense que l'eau à pression et température ambiantes. Ils sont ensuite passés au Laboratoire d'énergie laser (LLE) de l'Université de Rochester pour effectuer une compression par choc laser des cellules pré-compressées. Ils ont concentré jusqu'à six faisceaux intenses du laser Omega-60 de LLE, délivrant une impulsion de 1 nanoseconde de lumière UV sur l'un des diamants. Cela a lancé de fortes ondes de choc de plusieurs centaines de GPa dans l'échantillon, pour comprimer et chauffer la glace d'eau en même temps.

"Parce que nous avons pré-comprimé l'eau, il y a moins d'échauffement par choc que si on compressait par choc l'eau liquide ambiante, nous permettant d'accéder à des états beaucoup plus froids à haute pression que dans les précédentes études de compression de choc, afin que nous puissions atteindre le domaine de stabilité prédit de la glace superionique, " dit Millot.

L'équipe a utilisé la vélocimétrie et la pyrométrie ultrarapides interférométriques pour caractériser les propriétés optiques de l'eau comprimée choquée et déterminer ses propriétés thermodynamiques pendant la brève durée de 10 à 20 nanosecondes de l'expérience. avant que les ondes de relâchement de pression ne décompressent l'échantillon et vaporisent les diamants et l'eau.

"Ce sont des expériences très difficiles, c'était donc vraiment excitant de voir que nous pouvions apprendre autant des données, d'autant plus que nous avons passé environ deux ans à faire les mesures et deux autres années à développer les méthodes pour analyser les données, " dit Millot.

Ce travail a également des implications importantes pour la science planétaire, car Uranus et Neptune pourraient contenir une grande quantité de glace d'eau superionique. Les planétologues pensent que ces planètes géantes sont principalement constituées de carbone, hydrogène, mélange d'oxygène et d'azote (C-H-O-N) qui correspond à 65% d'eau en masse, mélangé avec de l'ammoniaque et du méthane.

De nombreux scientifiques envisagent ces planètes avec des intérieurs de convection entièrement fluides. Maintenant, la découverte expérimentale de la glace superionique devrait donner plus de force à une nouvelle image de ces objets avec une couche de fluide relativement mince et un grand "manteau" de glace superionique. En réalité, une telle structure a été proposée il y a une décennie, basée sur une simulation de dynamo, pour expliquer les champs magnétiques inhabituels de ces planètes. Ceci est particulièrement pertinent car la NASA envisage de lancer une sonde vers Uranus et/ou Neptune, sur les traces des missions Cassini et Juno réussies vers Saturne et Jupiter.

"Les champs magnétiques fournissent des informations cruciales sur l'intérieur et l'évolution des planètes, il est donc gratifiant que nos expériences puissent tester - et en fait, support - l'idée de dynamo mince qui avait été proposée pour expliquer les champs magnétiques vraiment étranges d'Uranus et de Neptune, " a déclaré Raymond Jeanloz, co-auteur de l'article et professeur de physique et d'astronomie de la Terre et des planètes à l'Université de Californie, Berkeley. Il est également ahurissant que de la glace d'eau gelée soit présente à des milliers de degrés à l'intérieur de ces planètes, mais c'est ce que montrent les expériences."

"La prochaine étape sera de déterminer la structure du réseau d'oxygène, " a déclaré Federica Coppari, Physicien du LLNL et co-auteur de l'article. "La diffraction des rayons X est maintenant réalisée de manière routinière dans les expériences de choc laser à Omega et elle permettra de déterminer expérimentalement la structure cristalline de l'eau superionique. Ce serait très excitant car les simulations théoriques ont du mal à prédire la structure réelle de la glace d'eau superionique."

Regarder vers l'avant, l'équipe envisage de pousser à une pré-compression plus élevée et d'étendre la technique à d'autres matériaux, comme l'hélium, ce serait plus représentatif de planètes comme Saturne et Jupiter.